專利名稱：光學(xué)透鏡的加壓模制的制作方法
背景技術(shù)：
聚碳酸酯是一種用來制作眼部透鏡的常用的材料。聚碳酸酯透鏡常常通過流體樹酯的噴射模制法或壓力模制法來制得。傳統(tǒng)的操作方法會使透鏡留有殘余應(yīng)力的影響。
這些殘余應(yīng)力會影響透鏡尺寸的穩(wěn)定性，并導(dǎo)致其它的問題。例如，有過度應(yīng)力的聚碳酸酯透鏡會在貯存或佩帶的過程中彎曲。這樣的透鏡的邊緣會有不同的屈光力(焦強(qiáng))。一種稱為低溫蠕變的現(xiàn)象，同樣也會對透鏡造成問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要敘述的系統(tǒng)揭示了一種用于形成低應(yīng)力的光學(xué)聚碳酸酯透鏡的新的方法及裝置。
此處所述的機(jī)器的與工藝過程，通過經(jīng)控制壓力及均勻的加熱，同時模制這些透鏡的凹面與凸面，從而形成眼部透鏡。
一種較佳的方式是同時并以大致相同的壓力加壓頂部和底部。
另一種方式是用玻璃制的模具，目的是使模具的膨脹系數(shù)更接近于聚碳酸酯毛坯。細(xì)微顆粒狀固體用擠壓在模具上以加熱或冷卻模具。這樣可以使受熱及熱量的擴(kuò)散得以均勻。


下面將對本發(fā)明及其實(shí)施例的這些和其他的方面結(jié)合附圖加以詳細(xì)說明，在附圖中是圖1為本發(fā)明系統(tǒng)所使用的工藝過程的總體概況的流程圖；圖2為用于模制低應(yīng)力的聚碳酸酯透鏡的模制機(jī)器的示意圖；圖3所為用于生產(chǎn)一般透鏡的機(jī)器；以及圖4所為用于生產(chǎn)特定規(guī)格透鏡的機(jī)器。
具體空施方式本系統(tǒng)最好從一固體的聚碳酸酯樹脂毛坯開始。這些毛坯是可以市場上購得的。操作流程如圖1所示。在步驟110首先對樹脂的毛坯進(jìn)行預(yù)熱。初始的預(yù)熱使毛坯達(dá)到一個均勻一致的溫度，此溫度低于塑料的變形溫度。在步驟112，通過將溫度升高至塑料的玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn)的溫度以上，對聚碳酸酯的表面層進(jìn)一步加以軟化。在較佳的實(shí)施例中，預(yù)加熱使毛坯的溫度達(dá)到約270F，然后將溫度升至305F補(bǔ)充加熱。在此溫度時，聚碳酸酯的內(nèi)部溫度與其外部溫度是不同的。
然后，在步驟114將表面已軟化的毛坯加熱成形。此步驟是在將加熱了的毛坯置于形成在兩個玻璃模子之間的模子空腔99之中以及圍繞空腔邊緣有一圓筒形屏障。此外，這種結(jié)構(gòu)的具體布局如圖2所示，下面將結(jié)合圖2對它作進(jìn)一步詳述。
熱成型時將已加熱的毛坯的外部表面與已預(yù)熱的玻璃模具相接觸。玻璃模具預(yù)加熱的溫度比毛坯外部表面的溫度高。例如，此模具的溫度可為390F。
這些玻璃模具被壓向毛坯上以實(shí)現(xiàn)熱成型。加壓過程在相對低的壓力下進(jìn)行，例如在 和140psi之間。一專門的圓筒形屏障被用來控制透鏡的厚度以及樹脂的流動。
在熱成型以后，執(zhí)行步驟116的應(yīng)力校正(orientation)。此時壓力增高，例如翻一倍，最好將壓力增至272psi與425psi之間。在此較高的壓力下，使熱成型后的透鏡冷卻，直至透鏡達(dá)到相對穩(wěn)定的溫度，例如235F。然后將壓力釋放而得到透鏡。
最好使用液化的固體熱傳導(dǎo)媒質(zhì)來進(jìn)行模具的加熱及冷卻，例如用一種非金屬的經(jīng)細(xì)微粉碎后的固體。這種導(dǎo)熱媒質(zhì)能夠用來均勻地分布加在玻璃模具座及保持容器上的高達(dá)1350 psi的壓力。這有助于避免在熱成型的過程中流動的塑料所產(chǎn)生的下陷(undercut)。
在凹模與凸模之間的空間形成一模腔。透鏡的厚度以及樹脂的粘性流動率由大小可變的圓筒形屏障確定。
現(xiàn)對此作進(jìn)一步的詳述，形成初始產(chǎn)品的毛坯可以是，例如，由聚碳酸酯注塑而成的固體樹脂毛坯。這些毛坯可以從市場上購得。典型的樹脂毛坯為蝶片狀，且具有兩個相互之間基本平行的平坦表面。
毛坯的厚度應(yīng)使其有足夠樹脂量來填滿模腔，也不應(yīng)太厚而造成樹脂太多的浪費(fèi)。并且，樹脂的直徑最好比最終形成的透鏡小。例如，一直徑為85mm的透鏡可以由一直徑75mm的樹脂毛坯模制而成。
固體的毛坯在一常規(guī)的爐中預(yù)熱，直至其溫度低于此毛坯的變形溫度。由于較佳的聚碳酸酯材料的變形溫度為270F，所以預(yù)熱的較佳溫度為260F。在此毛坯被均勻加熱后，便被轉(zhuǎn)移至一溫度更高的爐中，在其中，至少將毛坯一部分的溫度加熱至此塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度以上。聚碳酸酯的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度為305F。在步驟112處，用于加熱表面的適當(dāng)?shù)臅r間，如在370F時為7至9分鐘。此時，毛坯并沒有被完全加熱。也就是說，毛坯表面比毛坯內(nèi)部加熱得更高些。
步驟114是熱成型步驟。預(yù)熱后的固體毛坯有一軟化的表面。這個預(yù)熱的毛坯被轉(zhuǎn)移至此處所述的模腔中，其中玻璃模具的溫度已被預(yù)加熱至390F，略比補(bǔ)充加熱的溫度高。在轉(zhuǎn)移過程中模具上的熱量立刻被充分地切斷。而模腔上的壓力自其上部及下部同時增加。壓力的增加使上部的壓力與下部的壓力基本上相匹配。較佳的是，使用浮動容器來平衡頂部與底部的負(fù)荷。
壓力從最初的大約10psi逐漸開始增加，最終的壓力接近100psi。在熱成型的過程中，樹脂在模腔中粘滯地流動。在透鏡熱成型完成以后，在步驟116處進(jìn)行透鏡應(yīng)力校正。應(yīng)力校正涉及增加壓力，例如，在粘滯流動的末期將熱成型壓力增加一倍。一旦達(dá)到這個壓力，冷卻開始。較佳的用于應(yīng)力校正的壓力在272 psi至425 psi之間。無論使用什么上限，在達(dá)到此上限后移開熱源，將透鏡冷卻至它們的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度以下，此溫度低于它們的變形溫度。較佳的溫度為235F。此時，完成的透鏡從模腔中移開。熱成型及應(yīng)力校正兩者混合的時間約需22至23分鐘。
熱成型最好使用玻璃模具進(jìn)行。由于涉及過高的溫度及壓力，已有技術(shù)中的系統(tǒng)不使用玻璃模具。而本系統(tǒng)中由于溫度和壓力較低，因此可以應(yīng)用玻璃模具。此外，它還有其它某些優(yōu)點(diǎn)，包括使用此類玻璃模具可避免過度的收縮。發(fā)明人認(rèn)為與已有技術(shù)的鋼——聚碳酸酯系統(tǒng)相比，本發(fā)明的玻璃——聚碳酸酯系統(tǒng)熱膨脹系數(shù)比較接近。
最好以液化的或細(xì)微粉碎后的固體媒質(zhì)擠壓玻璃模具。這也提供了一種改進(jìn)的控制加熱/冷卻的技術(shù)。
另外一個重要的特點(diǎn)是，玻璃模具施加在樹脂上的壓力在整個冷卻過程中是均勻的，持續(xù)的。在320F至235F的冷卻過程中，這種特點(diǎn)使得應(yīng)力松弛，及應(yīng)力得到校正。
以此方式制造的聚碳酸酯透鏡，它們具有良好的幾何曲線及屈光力(焦強(qiáng))，優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，低應(yīng)力分布，以及出眾的抗沖擊強(qiáng)度。在以下的比較中，用本發(fā)明生產(chǎn)的透鏡稱為“校正應(yīng)力的聚碳酸酯”測試項目 注塑的聚碳酸酯(1) 校正應(yīng)力的聚碳酸酯(2)幾何曲線球徑計偏差9至23×10-4in 4至5×10-4in屈光力(焦強(qiáng))焦度計讀數(shù) 邊緣屈光力(焦強(qiáng))減弱 屈光力(焦強(qiáng))一直至邊緣不變內(nèi)部應(yīng)力偏振光圖案 有明顯的應(yīng)力應(yīng)力最小化抗沖擊強(qiáng)度表面硬度(4) 22～25 19～22極端沖擊力(5) 有裂縫撕裂擴(kuò)展 表面變形注(1)所用的是市售的聚碳酸酯眼部透鏡，由Gentex及Orcolite生產(chǎn)。
(2)以本發(fā)明的過程生產(chǎn)的透鏡具有優(yōu)良的幾何曲線，尺寸穩(wěn)定性以及抗沖擊強(qiáng)度，本發(fā)明的應(yīng)力校正過程得到了這些證據(jù)的有力的支持。
計劃以額外的分析測試來得到應(yīng)力校正效果的證據(jù)。打算對注塑與應(yīng)力校正的聚碳酸酯薄膜進(jìn)行比較和評價其強(qiáng)度(拉伸，模量及耐撕扯性)，圓形極化(偏振)紅外以及激光/拉曼光譜以及X射線衍射圖案。
(3)在室溫下存貯一年以上時間有明顯的變形。
(4)讀數(shù)來自巴柏考爾門(Barber-Colman)表面痕跡檢測器。
(5)以2磅鋼錘連續(xù)沖擊。
模制的眼部透鏡其中心的一般典型值在1.5mm至5mm之間。然而，與這個典型的值不同，本發(fā)明的系統(tǒng)生產(chǎn)的聚碳酸酯眼部透鏡，其厚度可薄0.4mm甚至更薄。本發(fā)明的系統(tǒng)可具有1.0mm邊緣而幾何曲線仍非常優(yōu)良。然而，根據(jù)本發(fā)明，中心的厚度最好在1至4mm之間。
具有較高的屈光度的透鏡可能需要相對于其中心較厚的邊緣。此處所述的圓筒形屏障，確定了模腔范圍。這些屈光度較高的透鏡可能需要絕熱以防止邊緣熱量的散失。
一個用來執(zhí)行本發(fā)明上述過程的裝置如圖2所示。本系統(tǒng)用了兩個浮動容器(floating canister)200，202。此浮動容器實(shí)際上是可以被單獨(dú)控制的活塞。玻璃模具204由浮動容器200加以支撐，另一個玻璃模具206由另一個浮動容器202支撐，它們分別被支撐于浮動容器的末端。因此，玻璃模具204與206能夠相向移動并相對施壓。
圓筒形屏障210確定了下部容器202的模腔的邊緣。此圓筒形屏障210靠在凸出部分212上，從而使模制的透鏡保持在位置。
根據(jù)一最佳實(shí)施例，通過平臺的活塞220與222分別加壓于浮動凸模204以及凹模204上，且兩者的壓力相等。推進(jìn)氣缸，例如224，用于傳遞來自相關(guān)聯(lián)的平臺活塞220上的壓力。
容器228的壁最好由不銹鋼制成。類似地，推力氣缸224最好包括不銹鋼或其它傳熱部件。這些壁與氣缸可以允許熱通過傳導(dǎo)物質(zhì)傳遞。加壓平板234，236最好為平坦的板材，并分別由壓力P1與P2對稱地驅(qū)動。
這些平板，例如234，壓向一液化的熱傳導(dǎo)媒質(zhì)240，以將這些媒質(zhì)擠壓在模具上。在一種最佳的方式中，熱傳導(dǎo)媒質(zhì)為具有適當(dāng)?shù)臒醾鲗?dǎo)率以及可壓縮的細(xì)微粉碎后的鹽，金剛砂，或其它的非金屬可自由流動的固體。
這些材料必需被保持在玻璃模204及加壓平板234之間的空腔中。在壓力平板234與壁228之間設(shè)置有一密封圈242，用以密封空腔邊緣。
頂部的玻璃模204由一個固定支架244支持。下部的支架246用來保持下部的玻璃模在位。然而，當(dāng)樹脂處于粘滯流動狀態(tài)時，樹脂便可能被容納在支架244，246下面。為了避免這種情況，需要將固體媒質(zhì)240壓在玻璃模204，206上。最好使用一彈簧來保持這種持續(xù)的壓力。例如，為了提供一持續(xù)的壓力，可以設(shè)置一個貝氏彈簧(Bellevue spring)250，以在加壓板234上施加一持續(xù)壓力，如1350psi。通過在螺桿224上轉(zhuǎn)動的板牙252并擰至能壓向浮動容器的彈簧那一點(diǎn)，將彈簧設(shè)置在與螺桿224的一位置上。
圓筒形屏障210控制了粘滯流動率，從而也就控制了透鏡的厚度。玻璃模204，206的外表面以及圓筒形屏障210的內(nèi)表面確定了模腔99的大小。圓筒形屏障的橫截面最好傾斜大約35度，以利于取出完成模制的透鏡。
玻璃模204，206最好用回火的玻璃形成。這樣可以改善模具對溫度以及壓力的抵抗力。
在操作過程中，固體的毛坯首先被預(yù)熱，然后再補(bǔ)充加熱，如上所述。將毛坯置于模腔99中，通過頂部與底部的平臺活塞234，236施加基本相同的壓力。施加于頂部的壓力與施加于底部的壓力大體相同。這些壓力以相同的速率從相對方向施加。當(dāng)透鏡以這種方式熱成型后，壓力增加，溫度下降。保持壓力直至透鏡充分地冷卻能從模具上取出為止。
為了改進(jìn)操作，較佳的系統(tǒng)使用以回火的玻璃制成的玻璃模具。雖然玻璃模具是較好的，但也可使用其它材料的模具。較好的模具材料應(yīng)具有與被模制的材料相近的膨脹系數(shù)與收縮系數(shù)。另一種較佳的用于模具的材料是鎳。鎳由電解形成。如果液化后的固體媒質(zhì)能夠充分地與容器200，202保持接觸進(jìn)行熱傳遞，以在金屬與聚碳酸酯界面處的收縮控制的差異能夠減至最小，也可選擇使用其它的材料。由此，這樣的系統(tǒng)可以防止所模制的透鏡中的應(yīng)力，哪怕使用金屬模具也可以。金屬模具的邊緣最好被充分地拉緊，以排除粘滯流動樹脂所產(chǎn)生的下陷。
另一實(shí)施例通過使眼部透鏡棱鏡化，可以形成一種特定規(guī)格的透鏡，此處為Rx透鏡。棱鏡化是一種將透鏡的光學(xué)中心移至一非中心的位置的技術(shù)。這里根據(jù)佩帶者的需要而使用的。棱鏡化后的透鏡其光學(xué)中心不再在其幾何中心上。對商業(yè)用的透鏡確定適當(dāng)?shù)膸缀沃行目赏ㄟ^使用一制成后的透鏡毛坯完成。透鏡毛坯的整體尺寸首先要允許其幾何中心的定位可以滿足特定的規(guī)格要求，然后將透鏡切割及安裝入一經(jīng)選擇的鏡框中。然而，棱鏡化要全部完成，還需通過磨光與拋光。
此實(shí)施例的較佳系統(tǒng)能夠通過改變推進(jìn)氣缸的位置來實(shí)現(xiàn)額外的的棱鏡化過程。圖3與圖4示出了在棱鏡化時對推進(jìn)氣缸以及圓筒形屏障的操作。圖3示出了具有和不具棱鏡化的推進(jìn)氣缸，圖4示出了具有和不具有棱鏡化的圓筒形屏障。模制可以滿足規(guī)格的透鏡棱鏡化的要求。一半的光學(xué)裝置相對于另一半傾斜，由此，聚碳酸酯透鏡的形成可以無需再對這些透鏡進(jìn)行磨光與拋光。
盡管，上面敘述了一些具體實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，從已揭示的實(shí)施例中可進(jìn)行種種變化。
所有諸如此類的變化全部將被包含于下述權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種聚碳酸酯透鏡的成型方法，包括取得一用于模制透鏡的聚碳酸酯毛坯；將毛坯預(yù)加熱至一低于聚碳酸酯材料的變形點(diǎn)溫度的特定的溫度，并保續(xù)一段時間，有效地均勻加熱聚碳酸酯材料；將聚碳酸酯材料溫度升高至較高的溫度，但此溫度低于聚碳酸酯材料的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度，從而使聚碳酸酯材料表面軟化；將頂部與底部的模具預(yù)加熱至第三個溫度，此溫度高于所述的第二個溫度；在所述的預(yù)熱的模具各自的第一表面之間加壓已加熱的聚碳酸酯毛坯，并且從底部加壓的壓力與從頂部加壓的壓力大致相同。
2.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于，還包括使加熱媒質(zhì)相對每一個所述模具的第二表面偏置的彈簧，所述的第二表面與壓在聚碳酸酯毛坯上的第一表面相對。
3.如權(quán)利要求2所述的一種方法，其特征在于，加熱媒質(zhì)為細(xì)微顆粒狀的固體。
4.如權(quán)利要求3所述的一種方法，其特征在于，所述加壓沿一直的軸線進(jìn)行。
5.如權(quán)利要求3所述的一種方法，其特征在于，所述加壓沿一彎曲的軸線進(jìn)行。
6.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于，還包括，在加壓透鏡后，使透鏡在壓力下冷卻。
7.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于，還包括，在加壓透鏡后，增加壓力至272 psi到450 psi之間，使透鏡在所述壓力下冷卻，并在透鏡冷卻后取出透鏡。
8.如權(quán)利要求6所述的一種方法，其特征在于，所述的壓力能有效地壓縮透鏡，且不會在透鏡中產(chǎn)生應(yīng)力。
9.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于，所述的模具為玻璃模具。
10.一種模制聚碳酸酯透鏡的裝置，包括一第一玻璃模，它具有一凸的模制表面，及具有相對于所述凸的模制表面的第二表面一種與所述的另一表面相接觸的加熱媒質(zhì)；一第二玻璃模，其具有一凹的模制表面，及具有避開所述凹的模制表面的第二表面；一與所述的第一與第二模具的兩所述第二表面接觸的媒質(zhì)；以及一壓力施加裝置，用于向所述的第一與第二模具施加恒定的壓力，用以在所述的凸面與所述的凹面間加壓聚碳酸酯透鏡。
11.如權(quán)利要利10所述的一種裝置，其特征在于，還包括一模具支撐元件，位于在所述的模具周圍的至少一個位置上，以將模具保持在位，以及還包括一裝有彈簧的元件，以將加熱材料壓向所述模具以及將模具邊緣壓向所述的模具支撐元件。
12.如權(quán)利要求10所述的一種裝置，其特征在于，所述的加熱材料為細(xì)微粉碎的液化的固體。
13.如權(quán)利要求10所述的一種裝置，其特征在于，還包括一在模制區(qū)域周圍的圓筒形屏障。
全文摘要
一種用于透鏡的模制方法與系統(tǒng),它使用了帶有圓筒形屏障(201)的浮動容器(200,202)支撐的玻璃模具(204,206),此圓筒形屏障確定了一個用于置入預(yù)熱后的透鏡毛坯的模腔的邊緣,另外透鏡毛坯表面被加熱,并在壓力下鑄造與冷卻。
文檔編號B29C43/36GK1345267SQ00805751
公開日2002年4月17日 申請日期2000年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月24日
發(fā)明者M·范登堡 申請人:羅克贊恩·F·懷特