DE69937845T2

DE69937845T2 - Kontinuierlicher extrusions-giess-präge prozess zur herstellung von optischen artikeln

Info

Publication number: DE69937845T2
Application number: DE69937845T
Authority: DE
Inventors: Zhou Milford YANG; Yinghui Milford WU
Original assignee: Optima Inc
Current assignee: Optima Inc
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: EP1177090B1; ES2299264T3; EP1177090A1; US6042754A; DE69937845D1; RU2220048C2; ATE381988T1; WO2000026013A1; EP1177090A4

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von optischen Artikeln, wie beispielsweise Opthalmic-Linsen oder Substraten für Compact-Discs, durch Formen und insbesondere die Anwendung eines kontinuierlichen Extrusion-Formpressverfahrens zur Herstellung von Kunststofflinsen, wobei eine Polymerschmelze von einem Extruder oder einer Schmelzvorrichtung zu einem ersten Werkzeug einer Vielzahl von sich drehenden aufeinanderfolgend bearbeitenden Kompressionswerkzeugeinsätzen zugeführt wird, die ein erstes Werkzeug und ein zweites Werkzeug aufweisen, positioniert auf einem sich drehenden Drehtisch oder Fördersystem, wobei die Linsen durch Zusammendrücken der Werkzeugeinsätze gebildet werden, wobei die Linsen von den Werkzeugen getrennt und die Werkzeuge zur Werkzeugzuführung zurückgeführt werden, und wobei der Schmelzzuführungsschritt des Prozesses und der Prozess wiederholt werden, bis die gewünschte Anzahl der Linsen hergestellt wird.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Das direkte Formpressen von thermoplastischen und duroplastischen Polymeren zur Herstellung von optischen Kuntstoffartikeln, wie beispielsweise Linsen, wird seit Jahren zur Anwendung gebracht. Im Grunde genommen benutzt das Formpressverfahren ein abgepacktes Pulver oder ein Vorformmaterial, und der Artikel wird geformt, indem das Material einer Form zugegeben, die Form geschlossen und die Form bei einer erhöhten Temperatur gepresst wird. Die Form besteht typischerweise aus einem unteren Werkzeug und einem oberen Werkzeug, die eine Form oder einen Werkzeugeinsatz bilden. Bei einem thermoplastischen Linsenformpressverfahren werden das Material und die Form auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt, um das Material zu erweichen, und es wird eine Druckkraft auf die Form über eine vorgegebene Zeitdauer angewandt, um eine vorgegebene Hohlraumgröße zu erreichen, wobei überschüssiges Material aus der Form herausgequetscht wird. Die Form wird danach abgekühlt und geöffnet, und der Artikel wird aus der Form herausgenommen. Dieses Verfahren ist jedoch großtechnisch nicht attraktiv, weil es eine lange Taktzeit, einen schlechten Energiewirkungsgrad aufweist und wirtschaftlich weniger vorteilhaft ist, verglichen mit einem Spritzgießverfahren. Ein direktes Spritzgießverfahren ist im Allgemeinen ein schnelleres und wirksameres Verfahren für das Formen von thermoplastischen Materialien.
Beim Formen von derartigen optischen Artikeln, wie beispielsweise einer Rx-Linse mit negativer Brechkraft, weisen die konventionellen Spritzgießverfahren jedoch eine Anzahl von ernsthaften Funktionsproblemen auf. Diese Art von Linsen weist einen Querschnitt auf, bei dem die Mitte dünner ist als der Rand, und dieses Merkmal macht das direkte Spritzgießen sehr schwierig, insbesondere, wenn die Viskosität der Schmelze hoch ist. Im Allgemeinen neigt die in die Form eingespritzte Schmelze dazu, den Rand der Form zuerst infolge des geringeren Widerstandes im dickeren Abschnitt des Formhohlraumes zu füllen, und nach dem Füllen eines großen Teils des Randbereiches lenkt sich die Schmelze selbst zum mittleren dünneren Bereich des Formhohlraumes um. Die beim Spritzgießverfahren verwendete Form muss infolge der Forderung nach einer Verkürzung der Taktzeit relativ kalt sein, und wenn die Schmelze im mittleren Bereich eintrifft, wird oftmals eine Bindenaht gebildet. Diese Erscheinung ist besonders ernst, wenn eine Linse mit einer geringeren Dicke in der Mitte geformt wird, die einen höheren Wert infolge ihres geringeren Gewichtes aufweist. Außerdem führt das Spritzgießen typischerweise eine ausrichtungsinduzierte Spannung und Doppelbrechung ein. Das Fehlen einer ausreichenden Verdichtungskraft, die bei der Kaltkanalspritzgießtechnologie angewandt wird, führt oftmals zu einer ungleichmäßigen Schrumpfung mit Bezugnahme auf die Linsenvorentformung und bewirkt Linienmarkierungen auf der Linsenoberfläche. Diese Art von Problemen muss bei dem Artikel vermieden werden, der für optische Verwendungen geeignet ist.
Eine andere Art von optischen Artikeln, die bei Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung hergestellt werden können, umfassen Kunststoffsubstrate, die bei der Herstellung von Compact-Discs verwendet werden, die in CD-ROMS, CD-Playem, usw. eingesetzt werden. Im Allgemeinen ist das Substrat eine kreisförmige ebene Scheibe von bis zu etwa 1,8 mm dick und wird aus einem Kunststoff hergestellt, wie beispielsweise Polycarbonat. Wie im Fachgebiet gut bekannt ist, wird das Kunststoffscheibensubstrat mit Aufzeichnungsschichten überzogen oder beschichtet. Das konventionelle Spritzgießen wurde als sehr schwierig ermittelt, und das Spritzprägen wird typischerweise zur Anwendung gebracht.
Um einige der vorangehenden Probleme zu überwinden, wurde die Spritzprägetechnologie entwickelt, wie in den U.S.Patenten Nr. 4008031 , 4091057 , 4254065 , 4364878 , 4409169 , 4442061 , 4519763 , 4540534 , 4627809 , 4707321 , 4828769 und der Europäischen Patentveröffentlichung Nr. 0130769 gezeigt wird.
Im Allgemeinen wird eine Füllmenge der Schmelze in eine getrennte Form bei Verwendung einer Spritzgießmaschine gespritzt. Die Form wird danach geschlossen, um eine Druckkraft auf die Schmelze anzuwenden, und dichtet den Formhohlraum durch hydraulisches Festklemmen oder aufgrund eines Hilfsbauteils ab, wie beispielsweise von Federn. Die zeitliche Steuerung fit die Spritz- und Zusammendrückschritte, die Größe der Füllmenge der Schmelze und die Temperaturkontrolle der Form sind alles kritische Betriebsfaktoren. In vielen Fällen muss die Heißkanaltechnologie angewandt werden, um eine ausreichende Verdichtungskraft zu erzielen.
Selbst wenn es verschiedene Versionen der Spritzprägetechnologie gibt, sind sie einander mehr oder weniger gleich, und diese Technologie zeigt bestimmte Nachteile. Zum einen erzeugt der Vorgang oftmals ein Produkt mit einer gewissen Spannung und Doppelbrechung, möglicherweise infolge der großen Temperaturdifferenz zwischen der Form und der Schmelze. Zusätzlich ist die Taktzeit oftmals sehr lang, weil das Füllen der Form ein langsamer Vorgang ist, und bei einigen verbesserten Verfahren muss die Form bei jedem Zyklus erwärmt und abgekühlt werden. Die Anwendung der Heißkanaltechnologie verlängert die Zeit, über die das Material hohen Temperaturen ausgesetzt wird, und ein wärmeempfindliches Material kann nachteilig beeinflusst werden. Die Kosten für die Form sind ebenfalls extrem hoch, und das Steuersystem für das Koordinieren der Spritz- und Zusammendrückschritte ist kritisch und oftmals sehr kompliziert und kostspielig. Um Linsen mit unterschiedlicher Brechkraft herzustellen, müssen außerdem die Formeinsätze ausgewechselt werden, was eine Stillstandszeit und einen niedrigen Wirkungsgrad des Vorganges hervorruft.
Viele polymere Materialien werden in einem Extruder kompoundiert, indem das Polymer in der Form von Pellets und Zusatzmittel dem Extruder zugegeben werden. Einige spezialisierte optische Materialien, wie beispielsweise Thiourethan- und Urethanpolymere und/oder -copolymere werden in Reaktionsextrudern hergestellt, indem die polymeren Reaktionspartner dem Extruder zugegeben werden. Wenn ein Artikel geformt wird, können die Pellets ebenfalls in einer Formmaschine erwärmt und zu einer Schmelze geschmolzen oder erweicht werden, um den Formvorgang zu erleichtern. Typischerweise jedoch neigen die Kunststoffmaterialien zur Zersetzung bei hohen Temperaturen und/oder zu einem langen Erwärmungsvorgang. Es ist ebenfalls im Allgemeinen eine direkte Beziehung zwischen den optischen und mechanischen Eigenschaften der Polymerlinsen und dem vorhanden, wie viele Male und wie lange das Polymer geschmolzen wurde, insbesondere bei wärmeempfindlichen Materialien. Normalerweise müssen Materialien, die zu optischen Artikeln geformt werden, eine thermische Vorgeschichte aufweisen, die so kurz wie möglich ist, anderenfalls können sich ein verstärktes Vergilben, Oxidieren des Polymers und verschlechterte mechanische Eigenschaften ergeben. Ebenfalls vom Gesichtspunkt des Energiewirkungsgrades ist das erneute Erwärmen der Kunststoffpellets bis zu einer geschmolzenen Form nicht wirtschaftlich und auch nicht für die Umwelt attraktiv. Eine der Schwierigkeiten des Nutzens der Schmelze von einem Extruder direkt als Zuführquelle für die Formmaschine ist, dass die Extrudierung typischerweise ein kontinuierlicher Vorgang ist und die konventionellen Spritzgieß-, Spritzpräge- und Formpressverfahren alle Chargen- oder diskontinuierliche Verfahren sind. Das Verbinden eines kontinuierlichen Extruders mit einer diskontinuierlichen oder Chargenformmaschine bringt eine gewaltige Bürde mit sich.
Bei einer damit in Beziehung stehenden Anmeldung, der US-Serien-Nr. 09/014811 mit dem Titel „Extrusionsformpressen von optischen Artikeln", angemeldet am 28. Januar 1998 und abgetreten an den Erwerber der vorliegenden Erfindung, wird ein Extrusionsformpressverfahren offenbart, das viele der Probleme des bisherigen Standes der Technik überwindet.
Das GB-A-1516194 offenbart das Formen von Kontaktlinsen entsprechend dem vorbeschreibenden Abschnitt des Patentanspruches 1. Das US-A-4836960 offenbart einen Drehtisch, der beim Formen von thermoplastischen optischen Linsen verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 15 definiert werden, für das Formen eines optischen Artikels bereit.
Erinnert man sich an die Probleme und Unzulänglichkeiten des bisherigen Standes der Technik, so kann die vorliegende Erfindung ein kontinuierliches Verfahren für das Formen von Polymeren, insbesondere thermoplastische Materialien, zu optischen Artikeln, wie beispielsweise Rx-Linsen und Compact-Disc-Substraten, bei Verwendung eines Extruders oder einer anderen Vorrichtung bereitstellen, um eine Polymerschmelze zu bilden, und um die Schmelze formzupressen, um optische Artikel ohne kommerziell nicht zu akzeptierende Mängel, wie beispielsweise eine Bindenaht und Vorentformungsmarkierungen, und mit einer minimalen Spannung und Doppelbrechung herzustellen.
Die vorliegende Erfindung kann ein kontinuierliches Verfahren bereitstellen, das energiewirksam ist und eine verringerte Wärmebehandlungszeit aufweist, wobei eine extrudierte Schmelze von einem Reaktionsextrudier- oder einem anderen Extrudiervorgang verwendet wird, um einen optischen Artikel zu formen, ohne die zusätzlichen Schritte des Herstellens von Pellets und des anschließenden Schmelzens der Pellets für das Formen des Artikels.
Die Erfindung kann ein Formverfahren für thermoplastische Linsen bereitstellen, bei dem keine Stillstandszeit auftritt, wenn man von der Herstellung einer Linse mit einer bestimmten Brechkraft zu einer anderen Brechkraft wechselt. Sie kann ein kontinuierliches Verfahren für die Verwendung von pelletierten thermoplastischen Materialien bereitstellen, um optische Artikel herzustellen.
Die vorliegende Erfindung kann ein kontinuierliches Verfahren bereitstellen, wobei ein Extruder oder ein Reaktionsextruder und das Formpressen eines Werkzeugeinsatzes, der mindestens zwei Werkzeugabschnitte aufweist, in Folge zur Anwendung gebracht werden, um optische Artikel herzustellen, wie beispielsweise Linsen.
Die Erfindung kann eine Vorrichtung für das kontinuierliche Herstellen von optischen Artikeln, wie beispielsweise Linsen und Substraten für Compact-Discs, mittels eines Formvorganges bereitstellen.
Noch weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden teilweise aus der Patentbeschreibung deutlich werden.
Die geformten Materialien können wärmeempfindliches thermoplastisches optisches Material oder konventionelles thermoplastisches optisches Material sein. Die Materialien umfassen optische thermoplastische Thiourethan-Urethan-Copolymere (wie im U.S.Patent Nr. 5679756 beschrieben wird), Polystyrol, Acrylpolymere, Polycarbonat und SAN, sind aber nicht darauf beschränkt. Wie es von jenen Fachleuten erkannt wird, kann eine kleine Menge des Vernetzungsmittels (von Vernetzungsmitteln) beim Extrudieren (Schmelze) verwendet werden, und der geformte Artikel wird nicht vollständig umschmelzbar sein. Der Begriff thermoplastisch, wie er hierin verwendet wird, umfasst derartige Polymere, die kleine Mengen an Vernetzungsmitteln enthalten.
Ein Extruder, der bei einem bevorzugten Verfahren eingesetzt wird, kann eine Doppelschnecke, Dichtprofil, tangierend, oder eine Kombination von Doppelschnecken- und Einschneckenextruder oder ein Einschneckenextruder oder irgendein anderer geeigneter Extruder sein. Die Schmelze, die vom Extruder oder einer anderen Schmelzvorrichtung gebildet wird, wird einem unteren Werkzeug eines Formwerkzeugeinsatzes zugeführt, wobei das untere Werkzeug in einer Rotationsrichtung durch den sich drehenden Drehtisch des bevorzugten Verfahrens und der bevorzugten Vorrichtung transportiert wird. Das Oberwerkzeug (obere Werkzeug) des Werkzeugeinsatzes wird danach oben auf dem sich drehenden gefüllten unteren Werkzeug positioniert, wobei ein das Polymer enthaltende Werkzeugeinsatz auf der Werkzeughalterung gebildet wird, die vorzugsweise in einer Öffnung im sich drehenden Drehtisch positioniert wird. Der Werkzeugeinsatz wird danach gepresst. Die Werkzeughalterung ist vorzugsweise entlang der Längsachse der Öffnung beweglich, um das Absenken der Werkzeughalterung für das Zuführen der Formen zur Vorrichtung und das Anheben der Werkzeughalterung für das Ausstoßen des hergestellten optischen Artikels, den die Werkzeugeinsätze enthalten, aus der Vorrichtung zu erleichtern. Der das Polymer enthaltende Werkzeugeinsatz wird bei Anwendung eines vorgegebenen Druckes gepresst, vorzugsweise 6,9 × 10⁴ bis 1,4 × 10⁷ Pa (10 bis 2000 psi). Die Dicke des hergestellten optischen Artikels wird typischerweise durch einen vorher eingestellten Hohlraumspalt zwischen dem oberen Werkzeug und dem unteren Werkzeug, der durch ein Distanzstück gesteuert werden kann, das zwischen der oberen Flache des unteren Werkzeuges und der unteren Fläche des oberen Werkzeuges positioniert ist, oder einfach durch ein genaues Schmelzvolumen bestimmt, das im Werkzeugeinsatz abgelagert wird. Die Werkzeugoberflächen können mit Trennmitteln vorher behandelt werden, wie es im Fachgebiet gut bekannt ist.
Die einzelnen unteren und oberen Werkzeuge des Werkzeugeinsatzes werden vorzugsweise vorerwärmt, wenn die Schmelze darauf abgelagert wird, und mehr bevorzugt auf eine Temperatur höher als die Tg des Polymers und niedriger als die Zersetzungstemperatur des Polymers. Die Temperatur der Werkzeuge und/oder des Einsatzes ist vorzugsweise zwischen 20 Grad C höher als die Tg und 10 Grad C niedriger als die Zersetzungstemperatur des Polymers. Die erhöhte Temperatur des bei diesem Verfahren verwendeten Werkzeugeinsatzes ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, das mit den Spritzgieß- und Spritzprägeverfahren verglichen und gegenübergestellt werden soll, wo die Form im Wesentlichen kalt ist (Temperatur niedriger als die Tg), wenn die Schmelze in die Form gedrückt wird. Es wurde ermittelt, dass die höhere Temperatur des Werkzeugeinsatzes ermöglicht, dass das Polymer die Oberfächenmerkmale des Werkzeuges wirksamer kopiert und kommerziell akzeptable optische Artikel liefert.
Nachdem der Werkzeugeinsatz auf eine vorgegebene Höhe des Werkzeugeinsatzhohlraumspaltes gepresst ist, wird die gepresste Position über eine wirksame Zeit beibehalten, um das Polymer zu verfestigen, beispielsweise 5 bis 15 sec., während sich der Werkzeugeinsatz auf dem Drehtisch dreht. Die Presse wird dann freigegeben, und der Werkzeugeinsatz wird aus dem sich drehenden Drehtisch entfernt. Der sich drehende Drehtisch bewegt sich, und wenn die jetzt leere Werkzeughalterung die Zuführstufe des unteren Werkzeuges erreicht, wird ein neues unteres Werkzeug zur Formhalterung in der Öffnung im Drehtisch zugeführt, und der vorangehende Vorgang wird fortgesetzt.
Der Werkzeugeinsatz mit dem geformten Teil darin wird typischerweise nachbehandelt, beispielsweise über eine wirksame Zeit auf einer Temperatur etwa 20 Grad C niedriger als die Tg bis zu 80 Grad C höher als die Tg des Materials und unterhalb der Zersetzungstemperatur des optischen Artikels gehalten. Der Werkzeugeinsatz wird vorzugsweise während der Nachbehandlung geschlossen. Ein Anzahl von unterschiedlichen Nachbehandlungen kann entsprechend den Eigenschaften des Materials durchgeführt werden. Der Werkzeugeinsatz kann geschlossen werden, und die Temperatur des Werkzeugeinsatzes kann durch Erwärmen beibehalten werden, um ein Spannungsfreimachen des Artikels zu gestatten, um die Spannung und Doppelbrechung zu minimieren, ohne dass die Form des Artikels verformt wird. Bei einer anderen Meinung kann die Temperatur allmählich auf eine Temperatur unterhalb der Tg, beispielsweise Raumtemperatur, abgesenkt und der Werkzeugeinsatz geöffnet werden, um den geformten Artikel freizugeben.
Bei einem stark bevorzugten Verfahren wird der Werkzeugeinsatz auf eine Anfangstemperatur etwa 1 bis 20 Grad C, vorzugsweise 10 bis 20 Grad C, über der Tg abgekühlt. Von dieser Anfangstemperatur bei etwa 15 Grad C oder mehr unterhalb der Tg wird die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von bis zu etwa 0,1 bis 5 Grad C/min. verringert, vorzugsweise 2 Grad C/min.
Das Verfahren ist bei einem Reaktionsextrusionssystem besonders nützlich, insbesondere für ein wärmeempfindliches Polymer, das mittels des Systems hergestellt wird. Beispielsweise werden die Monomere und/oder Vorpolymere in einem Reaktionsextruder polymerisiert, und die Polymerschmelze wird kontinuierlich extrudiert. Die extrudierte Schmelze wird direkt geformt, anstelle dass sie in Pellets verwandelt wird, wobei die Pellets in eine Formmaschine, wie beispielsweise eine Spritzgießmaschine, eingeführt und wieder erwärmt werden müssen, um den Artikel zu formen. Das kontinuierliche Extrusion-Formpressverfahren der Erfindung ist energiewirksam und erzeugt einen Artikel mit verbesserten optischen Eigenschaften.
Das Verfahren kann ein pelletiertes polymeres Material verwenden, wie beispielsweise Polystyrol, PMMA, Polycarbonat, SAN, usw. Das Polymer wird geschmolzen, und die Schmelze wird für einen anschließenden Formpressvorgang entsprechend der Erfindung extrudiert, wie es hierin vorangehend beschrieben wird. Die gleichen vorangehenden Schritte des Eliminieren jeglicher Spannung und Doppelbrechung und des Verhinderns einer Verformung beim Formvorgang können ebenfalls mit pelletierten Materialien im Formvorgang zustande gebracht werden.
Von jenen Fachleuten wird verstanden werden, dass andere Fördermittel anstelle eines Drehtisches (einschließlich sowohl horizontaler, winkeliger als auch vertikal angeordneter Drehtische) verwendet werden können, wie beispielsweise eine Fördereinrichtung, ein Lastaufnahmemittel, usw., wobei die gleichen Vorrichtungsmittel und Verfahrensschritte zur Anwendung gebracht werden, wie sie hierin vorangehend angeführt werden, um optische Artikel herzustellen. Es wird ebenfalls hierin in Betracht gezogen, dass das untere Werkzeug und das obere Werkzeug beide mit der Vorrichtung zusammenhängend sein können, wobei das untere Werkzeug ein Teil des Halterungsmittels und das obere Werkzeug der Presskopf des Pressmittels sind. Bei dieser Konfiguration werden eine untere Werkzeugzuführvorrichtung und obere Werkzeugzuführvorrichtung nicht verwendet, und beim Ausstoßen wird nur die hergestellte Linse aus der Vorrichtung ausgestoßen. Dementsprechend wird jedes Nachbehandlungsverfahren vorzugsweise in der Vorrichtung stattfinden, während sich die Vorrichtung von Anfang bis Ende bewegt (Polymerzuführung bis zum Ausstoßen der Linse).
Die wirtschaftlichen Vorteile des vorliegenden kontinuierlichen Extrusion-Formpressverfahrens für Linsen werden größer, weil die Form des bei diesem Vorgang hergestellten Artikels relativ einfach ist und eine geometrische Symmetrie aufweist. Billige Werkzeuge, wie beispielsweise Glaswerkzeuge, können genutzt werden, und es wird bevorzugt, dass sie das untere Werkzeug und das obere Werkzeug aufweisen, die den Werkzeugeinsatz bilden. Das ist wichtig, weil eine Vielzahl von Werkzeugeinsätzen in Folge beim Verfahren anstelle von nur einer Form wie bei einem typischen diskontinuierlichen Verfahren, wie beispielsweise bei einem Spritzgieß- oder einem Spritzprägeverfahren, verwendet wird. Glaswerkzeuge sind für eine Verwendung bei dem Verfahren geeignet, das Gegenstand der Anmeldung ist, da das Verfahren relativ hohe Temperaturen und einen relativ niedrigen Formdruck anwendet. Die Fähigkeit des Verwendens von Glaswerkzeugen ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, da die Oberfläche des Glaswerkzeuges leichter bis zu einer Glätte von optischer Qualität bearbeitet werden kann als eine Metallwerkzeugoberfläche. Die Werkzeuge können ebenfalls aus Metall hergestellt werden. Beispielsweise können Metallwerkzeuge billig mittels eines Galvanoformverfahrens hergestellt werden, und selbst wenn sie kostspieliger als Glaswerkzeuge sind, zeigen sie eine viel größere Betriebslebensdauer.
Jede geeignete Presse kann beim Verfahren verwendet werden, und die Produktionsgeschwindigkeit des Verfahrens ist wegen des aufeinanderfolgenden mehrfachen Werkzeugeinsatzbetriebes hoch.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Man glaubt, dass die charakteristischen Merkmale der Erfindung neuartig sind, und die Elemente, die für die Erfindung charakteristisch sind, werden insbesondere in den als Anhang beigefügten Patentansprüchen dargelegt. Die Figuren sind nur für Veranschaulichungszwecke und sind nicht maßstabgetreu gezeichnet. Die Erfindung selbst kann jedoch sowohl betreffs Organisation als auch Betriebsverfahren am besten mit Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen verstanden werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen folgen, die zeigen:
1 eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung, die die Erfindung verkörpert, die zur Anwendung gebracht wird, um optische Linsen herzustellen, wobei die Vorrichtung 12 Zonen aufweist, die 12 Öffnungen für Werkzeughalterungen umfassen, so dass 12 optische Linsen während einer Umdrehung des Drehtisches bei konstantem Rotationsbetrieb hergestellt werden können;
2 ein Ablaufschema eines Verfahrens, das die Erfindung verkörpert, die für die Herstellung von optischen Linsen bei Verwendung der Vorrichtung aus 1 zur Anwendung gebracht wird;
3A eine schematische Seitenansicht der Zone 1 aus 1, bei der ein unteres Werkzeug in die Drehtischvorrichtung geführt wird;
3B eine schematische Seitenansicht der Zone 2 aus 1, bei der eine Polymerschmelze auf die Oberfläche des unteren Werkzeuges geführt und ein Werkzeugdistanzstück verwendet wird, um das Werkzeug zu sichern;
3C eine schematische Seitenansicht der Zone 3 aus 1, bei der ein oberes Werkzeug oben auf der Schmelze positioniert wird, wobei ein Werkzeugeinsatz gebildet wird;
3D eine schematische Seitenansicht der Zone 4 und 5 bis 10 aus 1, bei der der Werkzeugeinsatz während der Drehung des Drehtisches durch die Zonen 4 bis 10 zusammengedrückt wird;
3E eine schematische Seitenansicht der Presse und Distanzstückabschaltungszone 11 aus 1;
3F eine schematische Seitenansicht der Freigabewerkzeugeinsatzzone 12 aus 1;
4 eine schematische perspektivische Ansicht einer horizontalen sich drehenden Vorrichtung, die die Erfindung verkörpert;
5 eine schematische perspektivische Ansicht einer vertikalen sich drehenden Vorrichtung außerhalb des Bereiches der Erfindung, aber eingeschlossen, um die freigegebenen Werkzeugeinsätze und eine Fördereinrichtung zu veranschaulichen.
Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung bezieht man sich hierin auf 1 bis 4 der Zeichnungen, worin gleiche Zahlen die gleichen charakteristischen Merkmale betreffen. Die charakteristischen Merkmale müssen nicht maßstabsgetreu in den Zeichnungen gezeigt werden.
Die Extruder, die bei dieser Ausführung verwendet werden, können von irgendeiner Ausführung sein, wie beispielsweise eine Doppelschnecke, Dichtprofil, tangierend oder eine Kombination von Doppelschnecken- und Einschneckenextruder oder ein Einschneckenextruder. Ein Extruder kann als eine Vorrichtung definiert werden, bei der ein Polymer erwärmt und erweicht wird, und ein Teil der Schmelze verwendet wird, um eine Form zu füllen, typischerweise indem die Schmelze durch eine Öffnung der Vorrichtung gedrückt wird. Das Verhältnis von Länge/Durchmesser (LID) des Extruders kann in Abhängigkeit von dem zu verarbeitenden Material bis zu 140 oder mehr betragen. In einem Reaktionsextrusionssystem wird ein Doppelschneckenextruder bevorzugt, und ein L/D-Verhältnis von 32 bis 40 ist ein bevorzugtes Verhältnis von 36 bis 100, das in Abhängigkeit von verschiedenen Reaktionssystemen mehr bevorzugt wird. Für das Erweichen von polymeren Materialien können sowohl ein Doppelschnecken- als auch ein Einschneckenextruder verwendet werden, und ein L/D-Verhältnis von 16 bis 80 wird bevorzugt, und 20 bis 56 wird mehr bevorzugt. Ein Heizer kann ebenfalls verwendet werden, um eine Schmelze herzustellen, die der Form mittels konventioneller Mittel in der gleichen Weise wie von einem Extruder zugeführt wird.
Es wird bevorzugt, dass der Extruder eine bis fünf Zuführöffnungen und eine bis fünf Entlüftungsöffnungen aufweist. Die Temperatur und Schneckengeschwindigkeit des Extruders werden im normalen Betriebsbereich der Parameter für den Materialextrudiervorgang eingestellt, um eine Schmelze mit einer Viskosität im Allgemeinen im Bereich von 1000 bis 300000 cPs oder mehr in Abhängigkeit vom Material herzustellen. Eine Siebbeschickungseinrichtung wird typischerweise am Extruder für das Filtern der Schmelze installiert. Die Schmelze wird extrudiert, um Luftblasen, Hohlräume oder sichtbare Einschlüsse in der extrudierten Schmelze zu minimieren.
Ein kontinuierliches Extrusion-Formpressverfahren wird in 1 im Allgemeinen als 10 gezeigt. Das Verfahren benutzt einen sich drehenden Drehtisch 11, der in eine Anzahl von Zonen unterteilt gezeigt wird. Bei diesem speziellen Drehtisch und Verfahren sind 12 Zonen vorhanden. Jede Zone ist ein gleichermaßen ausgebildetes Segment des sich drehenden Drehtisches, und es wird gezeigt, dass jede Zone eine gleiche Vorrichtungskonfiguration aufweist. Daher wird in der Zone 1 eine Öffnung 12a gezeigt, die ein unteres Werkzeug, eine Polymerschmelze, die oben auf das untere Werkzeug zugeführt wird, und ein oberes Werkzeug aufnehmen wird, das oben auf der Schmelze angeordnet wird. Ein Kolben- und Werkzeughalterungselement (nicht gezeigt) wird in der Öffnung 12a positioniert, wie es nachfolgend beschrieben wird. Es wird gezeigt, dass eine Pressvorrichtung einen Presskopf 13a aufweist, der mit einem vertikalen Element 16a mittels eines Querelementes 15a verbunden ist. Ein Steuersystem 29 weist Eingangsleitungen 29b von den verschiedenen Zonen der Vorrichtung auf und sendet Ausgangssignale durch Ausgangsleitungen 29a zu den Zonen der Vorrichtung. Eine jede Zone führt eine unterschiedliche Funktion durch, es wird aber erkannt werden, dass bei einem konstanten kontinuierlichen Betrieb optische Artikel kontinuierlich in jeder Zone in Abhängigkeit von der Zone bearbeitet und hergestellt werden.
Die Funktion der Vorrichtung kann mit Bezugnahme auf 1 beschrieben werden. Zum Zeitpunkt der Durchführung des Verfahrens, wie er in 1 gezeigt wird, führt in der Zone 1 eine Zuführvorrichtung für das untere Werkzeug ein unteres Werkzeug in die Öffnung 12a auf einer Werkzeughalterung (nicht gezeigt). Der Presskopf 13a befindet sich in einer nach oben zurückgezogenen Position von der Öffnung 12a, was das Zuführen des Werkzeuges in die Öffnung gestattet. Während sich der Drehtisch 11 in Gegenuhrzeigerrichtung in der Richtung des Pfeiles dreht, bewegt sich die Öffnung 12a zur Zone 2, wo ein Polymer oben auf das untere Werkzeug zugeführt und ein Werkzeugdistanzstück aktiviert wird, um das untere Werkzeug in Position in der Öffnung 12a zu halten und einen Spalt zwischen dem unteren Werkzeug und dem oberen Werkzeug bereitzustellen, wobei der Spalt die Dicke des herzustellenden optischen Artikels definiert. Die Öffnung 121, die jetzt leer und für das Aufnehmen eines unteren Werkzeuges bereit ist, würde sich dann zur Zone 1 drehen, und ein unteres Werkzeug würde in die Öffnung 131 geführt. Die Öffnung 12a dreht sich dann zur Zone 3, wo eine Zuführvorrichtung für das obere Werkzeug ein oberes Werkzeug oben auf die Polymerschmelze zuführt. Während sich der Drehtisch 11 weiter dreht, wird die Öffnung 12a, die jetzt ein unteres Werkzeug, eine Polymerschmelze oben auf dem unteren Werkzeug und ein oberes Werkzeug oben auf der Schmelze (was einen die Schmelze enthaltenden Werkzeugeinsatz bildet) enthält, zur Zone 4 bewegt (gedreht), wo die Presse betätigt wird und der Presskopf 13a einen Druck auf den Werkzeugeinsatz in der Öffnung 12a ausübt. Der Druck der Presse wird über die Zonen 5 bis 10 aufrechterhalten, während sich der Drehtisch 11 dreht. In der Zone 11 wird die Presse abgeschaltet, und der Presskopf 13a wird nach oben bewegt, wobei der Werkzeugeinsatz freigegeben wird. Das Werkzeugdistanzstück wird ebenfalls abgeschaltet, um den Werkzeugeinsatz freizugeben. Wenn sich die Öffnung 12a zur Zone 12 dreht, wird der Werkzeugeinsatz freigegeben und aus dem sich drehenden Drehtisch 11 entfernt (ausgestoßen). Die Vorrichtung wird mittels konventioneller Heizvorrichtungen, wie beispielsweise elektrischer Heizpatronen, auf einer erhöhten Temperatur gehalten, und der Werkzeugeinsatz befndet sich während des Rotationszyklusses auf einer erhöhten Temperatur und wird in einen Nachbehandlungsbereich für ein Abkühlen des Werkzeugeinsatzes übertragen, wobei das untere Werkzeug und das obere Werkzeug aus dem Werkzeugeinsatz entfernt werden und das Herausnehmen des hergestellten optischen Artikels aus dem Werkzeugeinsatz erfolgt. Das untere Werkzeug und das obere Werkzeug werden danach jeweils zur Zuführvorrichtung für das untere Werkzeug, die in der Zone 1 positioniert ist, und zur Zuführvorrichtung für das obere Werkzeug zurückgeführt, die in der Zone 3 positioniert ist.
Es wird erkannt werden, dass sich bei einem konstanten kontinuierlichen Betrieb, wenn sich der Drehtisch 11 dreht, eine jede der Öffnungen 12a bis 121 durch eine jede der Zonen drehen wird und die entsprechenden Arbeitsgänge in der speziellen Zone durchgeführt werden, wie es vorangehend für eine der Öffnungen 12a gezeigt wird. Daher wird im stabilen Zustand, wie in 1 gezeigt wird, die Öffnung 12a in der Zone 1 leer sein, und ein unteres Werkzeug wird in die Öffnung geführt. In der Zone 2 wird die Öffnung 12b ein unteres Werkzeug in der Öffnung aufweisen, das mit einem Polymer zugeführt wird, und das Werkzeugdistanzstück wird aktiviert, um einen Zwischenraum zwischen dem unteren Werkzeug in der Öffnung und dem oberen Werkzeug bereitzustellen, das in die Öffnung später geführt wird. In der Zone 3 wird ein unteres Werkzeug, das durch das Werkzeugdistanstück an Ort und Stelle gehalten wird, eine Polymerschmelze oben auf dem unteren Werkzeug aufweisen, und ein oberes Werkzeug wird oben auf die Polymerschmelze geführt. In der Zone 4 wird ein Werkzeugeinsatz gebildet (zusammengedrückt), wenn die Presse betätigt wird. In den Zonen 5 bis 10 wird der zusammengedrückte Werkzeugeinsatz weiter zusammengedrückt, wobei die erforderliche Verweilzeit (Aushärtungszeit) für den herzustellenden optischen Artikel bereitgestellt wird. In der Zone 11 wird die Presse abgeschaltet, und das Werkzeugdistanzstück wird abgeschaltet, um den Werkzeugeinsatz freizusetzen. In der Zone 12 wird der Werkzeugeinsatz freigegeben und aus der Drehtischvorrichtung ausgestoßen.
Wie hierin nachfolgend umfassender diskutiert wird, wird erkannt werden, dass die unteren Werkzeuge, die Polymerschmelze und die oberen Werkzeuge alle vorzugsweise auf einer erhöhten Temperatur sind, um den Formvorgang zu erleichtern. Das kontinuierliche Extrusion-Formsystem wird auf einer erhöhten Temperatur während des Verfahrens gehalten, so dass, wenn der Werkzeugeinsatz in der Zone 12 eventuell freigegeben wird, der Werkzeugeinsatz dennoch vorzugsweise eine erhöhte Temperatur über der Glasumwandlungstemperatur (Tg) aufweist. Der freigegebene Werkzeugeinsatz mit einer erhöhten Temperatur wird danach in einen Nachbehandlungsbereich übertragen, um die Bildung des optischen Artikels abzuschließen und das untere Werkzeug und das obere Werkzeug jeweils zur Zuführvorrichtung für das untere Werkzeug und zur Zuführvorrichtung für das obere Werkzeug zurückzuführen.
Mit Bezugnahme auf 2 wird ein Ablaufschema eines typischen kontinuierlichen Extrusion-Formpressverfahrens gezeigt. Das Ablaufschema ist bei einem Rotationssystem, wie es in 1 gezeigt wird, oder einem linearen Fördereinrichtungssystem anwendbar, wie es von jenen Fachleuten erkannt wird. Beim Schritt 100 beginnt sich die Vorrichtung zu drehen. In der Zone 1 wird der Werkzeughalter positioniert, und ein unteres Werkzeug wird dem Werkzeughalter beim Schritt 102 zugeführt. Während sich die Vorrichtung in die Zone 2 dreht, wird das Werkzeugdistanzstück aktiviert und ein Polymer dem unteren Werkzeug beim Schritt 104 zugeführt. Beim Schritt 106 wird das untere Werkzeug mit einer Polymerschmelze auf der Oberfläche des Werkzeuges der Zone 3 bewegt, und ein oberes Werkzeug wird oben auf das geschmolzene Polymer zugeführt. Dieser die Schmelze enthaltende Werkzeugeinsatz bewegt sich dann beim Schritt 108 zur Zone 4, und die Presse wird betätigt, um den Werkzeugeinsatz zusammenzudrücken. Der zusammengedrückte Werkzeugeinsatz aus der Zone 4 bewegt sich dann beim Schritt 110 durch die Zonen 5 bis 10, wo der Druck auf den Werkzeugeinsatz beibehalten wird. Wenn der zusammengedrückte die Schmelze enthaltende Werkzeugeinsatz die Zone 11 beim Schritt 112 erreicht, wird die Presse abgeschaltet, und das Werkzeugdistanzstück wird ebenfalls abgeschaltet, wodurch der zusammengedrückte Werkzeugeinsatz freigegeben wird. Der freigegebene Werkzeugeinsatz bewegt sich danach zur Zone 12, wo der Werkzeugeinsatz aus der Vorrichtung freigegeben wird. Der freigegebene Werkzeugeinsatz wird zu einem Nachbehandlungsschritt 116 für den Werkzeugeinsatz übertragen. Nach der Nachbehandlung beim Schritt 116 werden das untere und das obere Werkzeug von der hergestellten Linse beim Schritt 118 getrennt. Die oberen Werkzeuge werden beim Schritt 120 zum Schritt 120 für die Lagerung für das obere Werkzeug bewegt, von wo sie zur Zone 3 beim Schritt 106 übertragen werden. Die unteren Werkzeuge werden vom Schritt 118 zum Schritt 122 für die Lagerung des unteren Werkzeuges bewegt und von jener Lagerung zur Zone 1, Schritt 102, bewegt, wenn erforderlich. Nach der Freigabe des Werkzeugeinsatzes in der Zone 12 und beim Schritt 114 kontrolliert das System, um beim Schritt 124 zu ermitteln, ob der Vorgang fortgesetzt werden soll. Wenn der Vorgang forgesetzt werden soll, dreht sich die Vorrichtung weiter, und ein neues unteres Werkzeug wird beim Schritt 102 in die Zone 1 zugeführt. Wenn es gewünscht wird, den Vorgang zu beenden, wird der Vorgang durch den Schritt 126 beendet. Es wird erkannt werden, dass das in 2 gezeigte Ablaufschema für eine spezielle herzustellende Linse ist, während sie durch die Zonen 1 bis 12 bewegt wird. Daher ist beim konstanten kontinuierlichen Betrieb, wenn ein spezieller Werkzeugeinsatz aus der Zone 12 freigegeben wird, die Zone 1 leer und für die Aufnahme eines unteren Werkzeuges bereit. In dieser Position des Drehtisches ist ebenfalls ein unteres Werkzeug vorhanden, dem eine Füllmenge einer Polymerschmelze in der Zone 2 beim Schritt 104 zugeführt wird. Daher wird eine jede der Zonen die gewünschte Funktion durchführen, wobei ein unteres Werkzeug kontinuierlich der Vorrichtung zugeführt wird, wie es erforderlich ist, und ein Werkzeugeinsatz aus der Vorrichtung in der Zone 12 entfernt wird.
Mit Bezugnahme auf 3A bis 3F können die verschiedenen Arbeitsgänge gezeigt werden, die während des Verfahrens durchgeführt werden.
In 3A, die die sich drehende Vorrichtung in der Zone 1 zeigt, wird ein Werkzeugkolben 18 mit einer Kolbenplattform (Werkzeughalterung) 19 in der Position gezeigt, in der ein unteres Werkzeug 20 von der Zuführvorrichtung 26 für das untere Werkzeug aufgenommen wird. Das untere Werkzeug 20 wird in der Öffnung 12 der sich drehenden Vorrichtung aufgenommen und liegt auf der oberen Fläche der Werkzeughalterung 19 auf. Die Größe der Öffnung 12 ist etwas größer (beispielsweise 1/8 in. bis 1/4 in. oder mehr) als die Größe des unteren Werkzeuges 20, um das Werkzeug und die Bewegung des Werkzeuges aufzunehmen, damit sich das Werkzeug in die und nach unten in der Öffnung bewegen und auf der Oberfläche der Plattform 19 in seiner aufrechten Position für das Aufnehmen einer Polymerschmelze aufliegen kann. Ein Presskopf 13 wird gezeigt, der über der Öffnung 12 positioniert und an einem Presskolben 14 befestigt ist, der an einem Arm 15 befestigt ist, der mit einem vertikalen Strukturhalteelement 16 der Presse verbunden ist. Der Presskopf 13 wird über der oberen Fläche des Drehtisches 11 positioniert gezeigt, so dass die Zuführvorrichtung 26 für das untere Werkzeug das Werkzeug 20 in die Öffnung 12 zuführen kann.
In der Zone 2, die in 3B gezeigt wird, wird eine Polymerschmelze 21 auf der oberen Fläche des unteren Werkzeuges 20 gezeigt. Ein Werkzeugdistanzstück 17 wird aktiviert und erstreckt sich in die Öffnung 12, um das untere Werkzeug 20 sicher in Position auf der Werkzeugkolbenplattform 19 zu halten und einen Zwischenraum oder Spalt 17a bereitzustellen, der die gewünschte Linsendicke ist. Es wird gezeigt, dass sich die Polymerzuführvorrichtung 22 über die Öffung 12 erstreckt und die Polymerschmelze 21 auf dem sich drehenden Drehtisch 11 verteilen würde, wenn sich die Öffnung 12 in der Zone 2 befindet. Der Presskopf 13 wird noch in der nicht aktivierten Position über der oberen Fläche des sich drehenden Drehtisches 11 gezeigt, was das Hinzugeben der Polymerschmelze 21 zum Werkzeug 20 erleichtert.
Es wird in Betracht gezogen, dass die Polymerschmelze vorzugsweise kontinuierlich als ein Strang 33 von der Polymerzuführvorrichtung 22 fließen wird. Das überschüssige Polymer, das zwischen den benachbarten Werkzeugen verteilt wird, wird durch den Rand des oberen Werkzeuges zerrissen und herausgedrückt und durch beispielsweise eine Stange entfernt, die durch einen Druckluftzylinder betätigt wird, der unter dem Teil des überschüssigen Polymermaterials angeordnet ist.
In 3C befindet sich der sich drehende Drehtisch in der Zone 3, und eine Zuführvorrichtung 27 für das obere Werkzeug hat ein oberes Werkzeug 23 oben auf die Polymersehmelze 21 und das untere Werkzeug 20 zugeführt, die einen die Schmelze enthaltenden Werkzeugeinsatz 25 bilden.
In der Zone 4, wie in 3D gezeigt wird, wird der Presskopf 13 aktiviert, und der Presskolben 14 bewegt sich nach unten, um den Presskopf 13 gegen die obere Fläche des oberen Werkzeuges 23 und den Werkzeugeinsatz 25 zu drücken. Das drückt die Polymerschmelze 21 zusammen, die jetzt als der optische Artikel 24 gezeigt wird. Der Druck auf den Werkzeugeinsatz 25 wird über die Zonen 5 bis 10 aufrechterhalten, wie ebenfalls in 3D gezeigt wird. Man beachte, dass das Werkzeugdistanzstück 17 die Abwärtsbewegung des oberen Werkzeuges 23 behindert, so dass der richtige Zwischenraum (Höhe) 17a gebildet wird. Der Zwischenraum 17a bestimmt die Größe der Linse und kann in Abhängigkeit von der gewünschten Linse gesteuert werden.
Wenn das sich drehende Rad 11 die Zone 11 erreicht, wie in 3E gezeigt wird, wird das Werkzeugdistanzstück 17 in den Körper des sich drehenden Rades zurückgezogen, und der Presskopf 13 wird abgeschaltet (nach oben zurückgezogen). Das gibt den Werkzeugeinsatz 25 für ein Herausnehmen des Werkzeugeinsatzes aus der sich drehenden Drehtischvorrichtung frei, wie in 3F gezeigt wird. Daher wird in 3F der Werkzeugkolben 18 nach oben betätigt, wodurch die Werkzeugkolbenplattform 19 zur oberen Fläche des sich drehenden Drehtisches 11 bewegt wird, wo der den optischen Artikel enthaltende Werkzeugeinsatz 25 vom sich drehenden Drehtisch entfernt (ausgestoßen) werden kann, wie durch den Pfeil gezeigt wird. Nach dem Entfernen des Werkzeugeinsatzes 25 ist die Öffnung 12 jetzt von einem Werkzeug befreit, und die Öffnung 12 würde danach zur Zone 1 bewegt (gedreht), wo der Werkzeugkolben 18 für die Aufnahme eines weiteren unteren Werkzeuges 20 abgesenkt wird, wie in 3A gezeigt wird. Der vorangehende Vorgang wird fortgesetzt, während sich der Drehtisch 11 durch die verschiedenen Zonen dreht, wobei in jeder Zone während des konstanten kontinuierlichen Betriebes ein anderer Arbeitsgang durchgeführt wird, wie es hierin vorangehend diskutiert wird.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer gleichen sich drehenden Drehtischvorrichtung, wie sie in 1 gezeigt wird. Die Vorrichtung aus 4 weist jedoch mehr als 12 Zonen auf, und sie wird mit 24 Zonen gezeigt. Während sich die Vorrichtung 11 dreht, wird eine Zuführvorrichtung 26 für das untere Werkzeug die unteren Werkzeuge in eine positionierte Öffnung 12 zuführen. Es wird gezeigt, dass der Extruder 22 eine Polymerschmelze bildet und die Schmelze in eine Öffnung 12 zuführt, die ein unteres Werkzeug enthalten würde. Es wird gezeigt, dass eine Zuführvorrichtung 27 für das obere Werkzeug ein oberes Werkzeug zu einer Öffnung 12 zuführt, die darin ein unteres Werkzeug und eine Polymerfüllmenge oben auf dem Werkzeug aufweisen würde. In Erwartung der Position des Drehtisches wird der Presskopf 13, der mit dem Presskolben 14 und den Strukturelementen 13 und 16 verbunden ist, und entweder in der nicht aktivierten Aufwärtsposition oder in einer aktivierten Abwärtsposition ist, die Werkzeuge zusammendrücken. Es wird gezeigt, dass ein Werkzeugeinsatz 25, der einen herkömmlichen optischen Artikel enthält, für das Ausstoßen aus dem System bereit ist. Typischerweise wäre die Ausstoßzone näher an der Zuführzone bei der Zuführvorrichtung 26 für das untere Werkzeug, wird aber der Deutlichkeit halber darin gezeigt.
5 zeigt einen vertikalen sich drehenden Drehtisch 11 außerhalb des Bereiches der Erfindung, wobei ein Extruder 22 eine geschmolzene Polymerzuführung 21 bereitstellt. Es wird gezeigt, dass die unteren Werkzeuge 20 und die oberen Werkzeuge 23 jeweils von der Zuführung 34 für das untere Werkzeug und der Zuführung 35 für das obere Werkzeug in die vertikale sich drehende Baugruppe mittels der Kolben 26 und 27 zugeführt werden. Mit Bezugnahme auf 1 und 4 würde jede Öffnung 12 damit verbunden ihre eigenen Kolben 26 und 27 aufweisen, wobei die Kolben ebenfalls verwendet würden, um den die Schmelze enthaltenden Werkzeugeinsatz zusammenzudrücken. Wenn der Werkzeugeinsatz auf die Fördereinrichtung 32 ausgestoßen wird, würde der Kolben 27 zurückgezogen und der Kolben 26 aktiviert, um den Werkzeugeinsatz auf die Fördereinrichtung zu drücken. Weitere Kolben 26 und 27 für die Öffnungen 12 werden der Deutlichkeit halber nicht gezeigt. Die ausgestoßenen Werkzeugeinsätze 35 werden auf eine Fördereinrichtung 32 zur Nachbehandlung bewegt.
Ungeachtet der zur Anwendung gebrachten Formkonfiguration wird der das Polymer enthaltende Werkzeugeinsatz 25 vorzugsweise auf einer Temperatur etwa 20 Grad C unterhalb der Tg bis 80 Grad C höher als die Tg des Materials während der Nachbehandlung gehalten. Der Werkzeugeinsatz wird während der Nachbehandlung vorzugsweise geschlossen gehalten. Eine Anzahl von unterschiedlichen Nachbehandlungen kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Polymers und/oder den Anforderungen des Artikels zur Anwendung gebracht werden. Beispielsweise kann der das Polymer enthaltende Werkzeugeinsatz 25 geschlossen gehalten werden, und die Temperatur der Werkzeuge kann durch Erwärmen des Werkzeugeinsatzes beibehalten werden, um das Spannungsfreimachen des darin hergestellten Artikels zu gestatten, um die Polymerisation zu Ende zu bringen oder jegliche Spannung und Doppelbrechung zu eliminieren, ohne dass die Form des Artikels verformt wird. Es kann ebenfalls gestattet werden, dass sich der das Polymer enthaltende Werkzeugeinsatz allmählich abkühlt und danach geöffnet wird, um den hergestellten Artikel freizugeben. Der optische Artikel (Linse) wird aus dem Werkzeugeinsatz entfernt, und das untere Werkzeug und das obere Werkzeug werden zu ihren jeweiligen Werkzeugzuführvorrichtungen übertragen.
Als ein wichtiges charakteristisches Merkmal wird die Polymerzuführvorrichtung (Extruder) gesteuert, um einen Schmelzstrang kontinuierlich zu einer Vielzahl von unteren Werkzeugen zuzuführen, die sich durch den Prozess in Folge ohne Unterbrechnung vorwärtsbewegen. Das Schmelzextrudat wird durch den Rand des oberen Werkzeuges und das Werkzeugdistanzstück zerschnitten oder zerrissen. Die Schmelze wird vorzugsweise auf der Oberfläche des unteren Werkzeuges aufgenommen, so dass die Kontaktfläche der Schmelze und des Werkzeuges zu Beginn der Zuführung so klein wie möglich ist und die Fläche der Schmelze über die Werkzeugfläche allmählich vergrößert wird, wobei keine bemerkenswerten Hohlräume oder Blasen in der Kontaktfläche eingeschlossen werden. Um ein derartiges Strömungsbild zu erreichen, bilden die Kontur der Extrudatdüse und die Form der Extruderwerkzeugöffnung einen vertikal fallenden Schmelzstrang mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einer runden geneigten unteren Seite, gebildet durch die Schwerkraft, die auf den Schmelzstrang wirkt. Die Temperatur und der Querschnitt des Schmelzstranges werden speziell gesteuert, um eine derartige Schmelzstrangform zu bilden. Die geneigte untere Seite der Schmelze wird die Oberfläche des unteren Werkzeuges zuerst berühren. Wenn sich der Schmelzstrang absetzt, um die Oberfläche des unteren Werkzeuges zu bedecken, wird die Kontaktfläche zwischen dem Schmelzstrang und der Oberfläche des Werkzeuges größer, indem er nach außen längs der Werkzeugoberfläche ausgebreitet wird und keine Hohlräume oder Luftblasen innerhalb der Kontaktfläche eingeschlossen werden. Die Strecke, über die sich das Extrudat (Schmelzstrang) vor dem Berühren der Werkzeugoberfläche bewegt, beträgt im Allgemeinen etwa 5 bis 15 cm, vorzugsweise 8 bis 13 cm (2 bis 6 in., vorzugsweise 3 bis 5 in.). Das obere Werkzeug wird oben auf der Füllmenge der Schmelze hinzugebracht (angeordnet), und wenn die Presskraft auf das obere Werkzeug angewandt wird, wird die Kontaktfläche zwischen der Schmelze und der Werkzeugoberfläche kontinuierlich größer, indem sie nach außen in Richtung der Ränder des unteren Werkzeuges und des oberen Werkzeuges ausgebreitet wird. Blasen und Hohlräume werden bei Anwendung dieser Verfahrensweise vermieden. Eine Vergrößerung des Kompressionsweges ist für das Verbessern der Qualität des geformten Artikels hilfreich, und es ist ein bevorzugtes charakteristisches Merkmal, dass der Querschnitt des Schmelzstranges kreisförmig und der Durchmesser des Kreises so groß wie möglich sind, unter der Bedingung, dass die Menge der Schmelze, die dem Werkzeug zugegeben wird, nur etwas größer ist als die Menge, die für die Herstellung des Artikels benötigt wird. Die überschüssige Menge der Schmelze beträgt etwa 1 bis 10 Gew.-% des Artikels, kann aber in Abhängigkeit vom verwendeten Polymer, usw. größer sein. Eine weitere Option ist die Ablagerung einer genauen Menge der Schmelze, und jede Anlage hat keine Austrittsöffnung für die Schmelze. Wenn der Werkzeugeinsatz, der die Schmelze enthält, gepresst wird, wird nur Luft nach außen abgelassen, und das gesamte Material wird innerhalb des Werkzeugeinsatzes gehalten.
Eine Stickstoffatmosphärenschutzdecke oder ein anderes inertes Gas kann beim Verfahren zur Anwendung gebracht werden, wenn erforderlich, um das Polymer vor Sauerstoff und Feuchtigkeit zu schützen.
Das Steuersystem 29 erhält Eingangs/Ausgangsdaten von jeder Zone (Zonen 1 bis 12) und benutzt die Daten, um den Vorgang zu steuern. Beispielsweise sind die Daten von der Zone 1 typischerweise die, dass das untere Werkzeug 12 richtig auf der Werkzeughalterung 19 positioniert ist, und die Temperatur der Halterung 19 und des unteren Werkzeuges 20.
Verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden jetzt mit Bezugnahme auf die folgenden spezifischen Beispiele veranschaulicht. Es soll jedoch verstanden werden, dass derartige Beispiele nur für die Zwecke der Veranschaulichung vorgelegt werden, und dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise als dadurch eingeschränkt betrachtet werden soll.
BEISPIEL
BEISPIEL FÜR DAS FORMEN EINER POLYCARBONATLINSE BEI ANWENDUNG DES KONTINUIERLICHEN EXTRUSION-FORMPRESSVERFAHRENS
Es wurde ein Linsenartikel bei Benutzung einer horizontalen sich drehenden Drehtischvorrichtung gleich der hergestellt, die in 1 gezeigt wird. Der Extruder ist ein Einschneckenextruder, hergestellt von der Merritt David Corp., mit einem L/D = 24, einem Schneckendurchmesser von 1,5'', drei Zylinderheizzonen und einer Klemmheizzone und zwei Abschnitten von Entnahmewerkzeugheizzonen. Die Temperatureinstellungen für die Zonen sind die folgenden:

Zone 1 (Zylinder) 2 (Zylinder) 3 (Zylinder) 4 (Klemme) 5 (Werkzeug) 6 (Werkzeug)

T(°C) 265 292 282 280 275 275
Das bei diesem Verfahren verwendete Polycarbonatmaterial (PC) war Macronlon 2658, das von Bayer verkauft wird. Die Öffnung des Extruderentnahmewerkzeuges zeigte einen kreisförmigen Durchmesser von 2,2 cm (7/8''). Der PC-Schmelzstrang, der vom Extruder extrudiert wird, zeigt eine glatte Oberfläche. Der Schmelzstrang wurde kontinuierlich auf den unteren Werkzeugen abgelegt, und die oberen Werkzeuge wurden oben auf der Schmelze angeordnet. Die oberen und unteren Werkzeuge wurden alle auf 230°C vor dem Kontakt mit der Schmelze erwärmt. Die Werkzeugeinsätze wurden mit einem Presskopf, der von einem Druckluftzylinder angetrieben wird, mit 3,1 × 10⁵ Pa (45 psi) Druck über 1,5 Minuten gepresst. Die Werkzeugeinsätze mit den Linsen wurden danach ausgestoßen und in einem erwärmten Ofen bei 145°C über 20 Minuten gehalten, bevor sie auf Raumtemperatur gebracht wurden. Die freigegebenen Polycarbonatlinsen zeigen eine ausgezeichnete optische Qualität und eine geringe Doppelbrechung, wenn sie unter einem Paar Polarisationsfolien geprüft wurden.
Während die vorliegende Erfindung insbesondere in Verbindung mit einer spezifischen bevorzugten Ausführung beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass viele Alternativen, Abwandlungen und Veränderungen für jene Fachleute angesichts der vorangehenden Beschreibung erkennbar sein werden. Es wird daher in Betracht gezogen, dass die als Anhang beigefügten Patentansprüche jegliche derartige Alternativen, Abwandlungen und Veränderungen einschließen werden, die in den tatsächlichen Bereich der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optischen Artikels, das die folgenden Schritte aufweist: Bewegen eines Drehtisches oder einer Fördereinrichtung mit einer Vielzahl von beabstandeten Werkzeughalterungen (19) für ein unteres Werkzeug (20) und ein oberes Werkzeug (23), die einen Werkzeugeinsatz für das Formen eines optischen Artikels bilden; Zuführen eines unteren Werkzeuges (20) von einer Zuführvorrichtung für das untere Werkzeug auf eine der Werkzeughalterungen (19); Zuführen einer vorgegebenen Menge (21) des nicht unter Druck gesetzten optischen polymeren Materials auf eine Oberfläche des unteren Werkzeuges; Zuführen eines oberen Werkzeuges (23) von einer Zuführvorrichtung für das obere Werkzeug und Positionieren des oberen Werkzeuges gegen das nicht unter Druck gesetzte optische polymere Material, wodurch ein Werkzeugeinsatz gebildet wird, der der Reihe nach das untere Werkzeug, das polymere Material und das obere Werkzeug aufweist; Zusammendrücken des Werkzeugeinsatzes (25) bei Benutzung einer Presse, die mit der Werkzeughalterung verbunden ist, um einen optischen Artikel zu bilden; Freigeben der Presse, wenn der optische Artikel gebildet ist; Entfernen des Werkzeugeinsatzes (25) vom Drehtisch oder der Fördereinrichtung; Entfernen des optischen Artikels aus dem Werkzeugeinsatz; Zurückführen des unteren Werkzeuges und des oberen Werkzeuges des Werkzeugeinsatzes in ihre jeweiligen Zuführvorrichtungen; und Wiederholen der vorangehend angeführten Schritte, bis die gewünschte Anzahl an optischen Artikeln hergestellt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das optische polymere Material als ein vertikal fallender Schmelzstrang zugeführt wird, der sich entlang der Oberfläche des unteren Werkzeuges (20) ausbreitet, wobei seine Kontaktfläche mit dem unteren Werkzeug unter der Schwerkraft vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schmelzstrang einen kreisförmigen Querschnitt mit einer runden geneigten unteren Seite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schmelzstrang kontinuierlich zu den nachfolgenden unteren Werkzeugen (20) auf dem Drehtisch oder der Fördereinrichtung geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich der Schmelzstrang zwischen 5 cm und 15 cm (2 bis 6 in.) zwischen einer Polymerzuführvorrichtung und dem unteren Werkzeug (20) bewegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der optische Artikel eine optische Linse ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der optische Artikel ein Substrat für eine Compact-Disc ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Werkzeughalterungen (19) in Öffnungen (12) in einem Drehtisch (11) angeordnet sind und die Verfahrensschritte durch Drehen des Drehtisches wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Werkzeuge und der Drehtisch erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Schmelze in einem Extruder gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem die Werkzeuge auf eine Temperatur höher als die Tg des Polymers und niedriger als die Zersetzungstemperatur des Polymers erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Temperatur der Werkzeuge zwischen 20°C höher als die Tg und 10°C niedriger als die Zersetzungstemperatur des Polymers ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Werkzeugeinsatz nach dem Entfernen vom Drehtisch nachbehandelt wird, indem der Werkzeugeinsatz von einer Anfangstemperatur etwa 20°C über der Tg auf 15°C unter der Tg mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 5°C/Minute abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Anfangstemperatur etwa 10°C über der Tg beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Abkühlungsgeschwindigkeit etwa 2°C/Minute liegt.
Vorrichtung zur Herstellung von optischen Artikeln, die aufweist: eine Fördereinrichtung oder einen Drehtisch für das Tragen einer Vielzahl von unteren Werkzeugen (20) und oberen Werkzeugen (23), wobei das untere und obere Werkzeug einen Werkzeugeinsatz (25) bilden; Heizmittel für das Erwärmen der Werkzeuge und/oder der Fördereinrichtung oder des Drehtisches; eine Vielzahl von Halterungsmitteln (19), die mit der Fördereinrichtung oder dem Drehtisch verbunden sind, um einen jeden der Werkzeugeinsätze zu halten; eine Vielzahl von Kompressionsmitteln (13–16), die mit einem jeden der Halterungsmittel (19) verbunden sind, für das Zusammendrücken eines die Schmelze enthaltenden Werkzeugeinsatzes, um einen optischen Artikel zu bilden; Ausstoßmittel für das Entfernen des den optischen Artikel enthaltenden Werkzeugeinsatzes von der Fördereinrichtung oder vom Drehtisch; Mittel für das Zuführen einer vorgegebenen Menge des nicht unter Druck gesetzten optischen polymeren Materials auf eine Oberfläche eines unteren Werkzeuges (20); Zuführmittel für das untere Werkzeug für das Zuführen eines unteren Werkzeuges (20) zu einem Halterungsmittel (19), um die Menge des optischen polymeren Materials aufzunehmen; Zuführmittel für das obere Werkzeug (23) für das Zuführen eines oberen Werkzeuges (23) zum nicht unter Druck gesetzten, das optische polymere Material enthaltende untere Werkzeug, wobei ein die Schmelze enthaltender Werkzeugeinsatz (25) gebildet wird, der der Reihe nach ein unteres Werkzeug, die Polymerschmelze und ein oberes Werkzeug aufweist; wobei die Anordnung so ist, dass, während der die Schmelze enthaltende Werkzeugeinsatz bei Verwendung des Kompressionsmittels zusammengedrückt wird, um den optischen Artikel zu bilden, der Werkzeugeinsatz auf der Fördereinrichtung oder dem Drehtisch über eine gewünschte Zeit bewegt, das Kompressionsmittel abgeschaltet und der Werkzeugeinsatz danach von der Fördereinrichtung oder dem Drehtisch bei Verwendung des Ausstoßmittels ausgestoßen wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführmittel für das optische polymere Material so geformt und über dem Drehtisch oder der Fördereinrichtung so angeordnet wird, dass das Material als ein vertikal fallender Schmelzstrang zugeführt wird, der sich entlang der Oberfläche des unteren Werkzeuges (20) ausbreitet, wobei seine Kontaktfläche mit dem unteren Werkzeug unter der Schwerkraft vergrößert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, die einen drehbaren Drehtisch (11) mit dem Halterungsmittel (19) für das Halten einer Vielzahl von unteren Werkzeugen (20) und oberen Werkzeugen (23) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Drehtisch Öffnungen (12) für das Aufnehmen des Halterungsmittels (19) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, die für eine Verwendung mit dem Drehtisch horizontal angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei der das Halterungsmittel (19) innerhalb der Öffnungen (12) im Drehtisch beweglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der das Zuführmittel einen Extruder aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei der die Werkzeuge Glas sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei der die Werkzeuge Metall sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, die außerdem Nachbehandlungsmittel aufweist, um den Werkzeugeinsatz (25) abzukühlen und den optischen Artikel zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der das Nachbehandlungsmittel angeordnet wird, um den Werkzeugeinsatz (25) von der Anfangstemperatur etwa 20°C über der Tg auf etwa 15°C unter der Tg mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 5°C/Minute abzukühlen.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die Abkühlungsgeschwindigkeit des Nachbehandlungsmittels über 2°C/Minute liegt.