Procédé de fabrication de pièces optiques telles que lentilles et prismes, outillage pour la mise en oeuvre de ce procédé et pièce optique obtenue au moyen de ce procédé.
La présente invention comprend un procédé et un outillage pour la fabrication de pièces optiques telles que lentilles et prismes à partir de matières thermoplastiques transparentes telles que des polymères organiques, par exemple le métacrylate de méthyle, le polystyrène, le chlorure de polyvinyle. L'in- vention comprend également une pièce optique obtenue par ce procédé.
Pendant la solidification originale ou la polymérisation des matières thermoplasti ques, ces dernières prennent une structure moléculaire qui, normalement, est uniforme et exempte de tensions internes. On a trouvé que si, dans le procédé final de moulage, la matière est soumise à une distorsion ou un effort analogue, les propriétés optiques de la pièce finie peuvent être altérées, et un but de la présente invention est d'éviter une telle distorsion ou un tel effort lors de l'opération de moulage.
On a décrit au brevet suisse No 176399 un procédé de fabrication de dispositifs opti ques, dans lequel une matière thermoplastique transparente reçoit, par une seule opération de moulage, la forme désirée et la surface parfaitement polie nécessaire.
D'une manière générale, le procédé sui- vant la présente invention est caractérisé en ce qu'on façonne une ébauche solide, approxi- mativement à sa forme finale désirée, et en ce que l'on soumet ensuite cette ébauche façonnée au moulage final dans des coquilles de matrice exactes, de manière à assurer à la pièce la forme désirée et les surfaces de l'exactitude optique demandée.
L'outillage selon l'invention est caractérisé par des coquilles de matrice adaptées à des pièces évidées d', une presse, les évidements desdites pièces eta. nt dstines reae- voir un fluide chauffant ou refroidissant et par le fait que la périphérie de ces coquilles est entourée par une enveloppe.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'outillage suivant l'invention.
La fig. 1 est une vue perspective de l'a. p- pareil pour le moulage final de lentilles.
La fig. 2 est une vue perspective, partiellement en coupe, montrant les pincettes destinées à tenir la lentille et le dispositif de chauffage électrique.
La fig. 3 est une vue de détail en coupe verticale, montrant comment se fait l'éjection de la lentille hors de la presse.
La fig. 4 est une coupe verticale d'une partie de la presse, montrant les coquilles supérieure et inférieure et les parties qui leur sont associées, la lentille se trouvant sous pression.
Pour faire des lentilles, on découpe des flans circulaires dans une feuille plate d'épaisseur appropriée, à l'aide d'un trépan rotatif. Chaque flan est monté dans un man
drin d'un tour et l'une de ses faces est tournée pour obtenir la surface incurvée voulue au moyen d'un burin de façonnage et la surface ainsi taillée peut être meulée. La pièce circulaire est alors retournée et l'autre face est tournée de manière semblable, puis meulée jusqu'à obtention de la surface incurvée désirée. L'eau est un lubrifiant approprié pour l'opération de découpage. Des dispositifs d'arrêt peuvent être prévus pour fonctionner sur le chariot du tour, de manière à assurer que le poids de l'ébauche façonnée soit correct. Le poids etlou les dimensions de l'ébauche façonnée peuvent également être vérifiés.
Dans le cas d'une lentille convexe, le rayon de courbure de l'ébauche façonnée doit être légèrement plus faible que le rayon de courbure de la matrice. Si, par exemple, le rayon de courbure de la matrice concave est 10 cm, le rayon de courbure de la surface convexe de l'ébauche peut, par exemple, être de 9, 5 à 9, 6 cm.
Réciproquement, dans le cas d'une surface concave de la lentille ou autre pièce optique, le rayon de courbure de l'ébauche fa çonnée doit être légèrement plus grand que celui de la surface convexe de la coquille de la matrice.
Ce rapport entre le rayon de courbure de l'ébauche et le rayon de courbure de la matrice est obtenu lors des opérations de façonnage ci-dessus de l'ébauche, pa. r découpage, meulage ou polissage correspondant de cette pièce.
Chaque ébauche est polie sur une machine à polir rotative, ce polissage a pour buts de supprimer les cavités pouvant retenir de la poussière, de donner un contact intime avec les coquilles de la matrice et de faciliter l'examen de la surface pour voir si elle présente de la poussière ou d'autres corps nuisibles et pour permettre son marquage.
La presse à mouler est de forme courante dans ses parties essentielles. L'enveloppe cylindrique 10 et la pièce évidée 11 supportant la coquille 12 inférieure de la matrice sont montées dans la partie inférieure de la presse (dans cet exemple, la partie mobile 13). La pièce évidée 14 supportant la coquille 15 supérieure de la matrice, est montée sur un piston 16 qui est guide avec précision dans un cylindre 17 (pot de compression) sur la partie supérieure de la presse et un fort ressort 18 de compression est disposé entre le piston et le cylindre et tend à abaisser la coquille 15. La pièce évidée 11 est munie de conduits 19 et 20 pour la circulation d'eau froide, respectivement de vapeur.
La pièce évidée 14 est munie de conduits 21 et 22 de circulation d'eau froide, respectivement de vapeur. Les passages ménagés dans les pièces évidées sont disposés de telle sorte que l'apport de chaleur à la coquille ou l'extraction de chaleur de la coquille se fait à travers le fond de celle-ci. Les faces actives des coquilles (en acier spécial) sont usinées, meulées et polies au même degré d'exactitude que celui exigé pour la fabrication des lentilles en verre utilisées dans les jumelles, microscopes, appareils photographiques, télescopes, etc. La face postérieure de chaque co- quille est également meulée avec précision pour offrir un contact parfait avec la surface de base correspondante de la pièce évidée.
Des fours électriques 23 sont employés pour chauffer préalablement les ébauches 24 de lentilles et ces fours sont de préférence disposés à portée immédiate de l'opérateur de la presse. Par exemple, pour des lentilles d'un diamètre maximum de 2, 5 à 5 cm, des fours 23 peuvent être montés sur l'appareil et chauffés électriquement, la température étant commandée par des rhéostats 26. Une ébauche de lentille propre et nette est maintenue dans des pincettes 27 ne saisissant l'ébauche qu'à sa périphérie, et la partie des pincettes qui tient l'ébauche peut être introduite dans le four.
Dans le cas d'ébauches en métacrylate de méthyle, la température de chauffage préalable de certaines lentilles peut atteindre 130 à 140 C, bien que cette température dépende, dans une certaine mesure, de la dimension de la lentille. Dans le cas d'ébauches en polystyrène, la température de chauffage préalable peut atteindre 100 à 110 C. Les dispositions sont prises pour que l'air dans les fours soit propre.
Les conduits d'amenée de fluide dans les pièces évidées sont disposés pour être mis en communication soit avec un distributeur 28 de vapeur, soit avec un distributeur 29 d'eau froide.
En référence à la fig. 3, la coquille inférieure 12 est fixée par une tige 30 à un joug 31 mobile verticalement dans des guides 32 de la partie mobile 13 de la presse. Le joug 31 est en prise avec le levier pivoté 33 manoeu- vrable à la main, de telle sorte que lorsque l'opération de moulage est terminée et que la partie mobile 13 est abaissée (par le dispositif hydraulique habituel), le levier 33 à main peut être levé pour pousser vers le haut la coquille 12 dans l'enveloppe 10 et éjecter la lentille terminée.
L'opération de moulage est effectuée de la façon suivante :
Les deux coquilles 12 et 15 de même que l'ébauche 24 sont rendues optiquement propres. L'ébauche 24, après avoir été chauffée dans le four 23, est déposée dans la coquille 12 inférieure, qui est entourée par l'enveloppe 10. Par suite de l'opération habituelle de la presse 34, le contact est établi entre l'ébauche 24 et les deux coquilles 12 et 15.
Les pièces évidées 11 et respectivement 14 sont à ce moment chauffées à la température de moulage grâce à la vapeur amenée par les conduits 20 et 22. La pression dans le cas d'ébauches en métacrylate de méthyle est d'environ 310 kglem2 (2 tonnes/pouce carré) et, dans le cas d'ébauches en polystyrène, elle est d'environ 155 kg/cm2 (1 tonne/pouce carré). Le temps de moulage à la température élevée indiquée ci-dessus varie tant soit peu avec les dimensions de la lentille, mais il peut être de 2 à 3 minutes.
La circulation de vapeur est alors coupée et les pièces évidées 1. 1 et 14, portant les coquilles, sont refroidies par circulation d'eau, dans les conduits 19 et 20. C'est à ce moment que la coquille 15 supérieure continue d'agir. En d'autres termes, la pression est maintenue pendant le refroidissement et l'action du ressort 18, com- primé sur la coquille 15 supérieure, oblige la surface de la coquille à rester en contact parfait avec les surfaces moulées de la lentille 24 jusqu'à ce que la solidification soit complèbe. Avec des lentilles de 2, 5 à 5 cm de diamètre, la durée de refroidissement sous pression peut être de 3 à 31/2 minutes.
Lorsque la presse est ouverte, la coquille 12 inférieure peut être soulevée mécaniquement en dehors de l'enveloppe 10 au moyen du levier 33. Les bords de la périphérie de la lentille peuvent être légèrement rugueux et peuvent facilement être rendus lisses,
Les points suivants doivent être pris en considération avec le procédé décrit :
Ce procédé permet de fabriquer des lentilles optiquement exactes et d'autres pièces optiques, à partir de matières plastiques. dans un moule fermé et sans l'emploi de moyens mécaniques pour arrêter le mouvement relatif des coquilles, de telle manière que les articles finis soient exempts de tensions internes nuisibles, qu'ils soient de l'épaisseur désirée et conservent intactes leur forme et leurs caractéristiques optiques pendant un temps indéterminé, malgré les changements habituels de température et de con ditions atmosphériques.
Une conséquence du façonnage de l'ébauche très près de sa courbure finale est qu'il ne reste que peu de matière à déplacer par r les coquilles lors de l'opération de moulage.
L'épaisseur de l'ébauche subit une variation ne dépassant pas 1 %. Une expulsion de matière à la périphérie des coquilles est ainsi évitée ou diminuée à une valeur négligeable.
Le façonnage de l'ébauche est en général suf- fisamment près de la courbure finale pour que chaque face de la lentille ne nécessite une modification que très faible par l'opération de moulage. Cette modification est effectuée, la coquille préalablement chauffée étant à la température correcte, par un léger écoulement radial vers l'extérieur à, partir du centre, sans formation de dessins dus à des tensions internes nuisibles, alors que, si les courbures de-la lentille devaient être formées entièrement par la pression des coquilles, à partir d'une ébauche plate d'épaisseur uniforme, dans un moule fermé, le produit résul- tant présenterait généralement des dessins d'un caractère nuisible dus aux tensions internes.
On remarquera évidemment que le façonnage de l'ébauche ne tend pas à faire subir des efforts à la matière, comme le fait une opération de moulage d'une importance suffisante pour la formation de la surface incurvée à partir d'une surface plate, et dans laquelle la matière n'est pas libre de s'écouler hors du moule. Un autre avantage de l'emploi i d'une ébauche formée approximativement avant le moulage est d'éviter la formation de poches d'air dans le moule.
De plus, l'absence de moyens d'arrêt limitant le mouvement de la coquille est importante, du fait que la matière plastique se rétrécit tant soit peu pendant le refroidissement. Avec le procédé décrit ci-dessus, un contact étroit est maintenu entre la coquille et la matière jusqu'à ce que le produit ait finalement fait prise, ce qui serait impossible avec un arrêt fixe du mouvement de la coquille.
A ce propos, la méthode de refroidissement de la lentille uniformément sur toute sa surface et pratiquement dans tout son volume, par extraction de la chaleur à travers les fonds des coquilles, est importante parce que, si le refroidissement avait lieu par l'en- veloppe seule, la partie périphérique de la lentille aurait tendance à se durcir en premier lieu, empêchant ainsi la pression qui continue à être exercée par une des coquilles de maintenir un contact étroit des coquilles avec les surfaces incurvées de la lentille.
L'épaisseur finale requise de la lentille peut être déterminée d'avance très exactement en donnant à l'ébauche un poids et un volume calculés d'avance et en connaissant, par des expériences préalables sur différentes matières, la diminution d'épaisseur par suite de la pression à chaud et du retrait subséquent pendant le refroidissement.
Dans le cas de la fabrication d'un prisme de section transversale triangulaire, une coquille de la matrice peut présenter une creusure ayant la forme d'un V, tandis que l'autre coquille est plate. Bien que la coquille comportant la creusure en V soit de la configuration'exacte requise pour le prisme fini, l'ébauche destinée à y être introduite a un angle dièdre très légèrement plus petit que celui de la creusure pour empêcher la formation de toute poche d'air pendant l'opération de moulage.
Des considérations semblables s'appliquent à la fabrication de prismes présentant plus de trois faces.
REVENDICATIONS :
I. Procédé de fabrication de pièces optiques telles que lentilles et prismes, à partir de matières thermoplastiques transparentes telles que des polymères de métacrylate de méthyle ou du polystyrène, caractérisé en ce qu'on façonne une ébauche solide, approxima tivement à sa forme finale désirée, et en ce que l'on soumet ensuite cette ébauche façon- née au moulage final dans des coquilles de matrice exactes, de manière à assurer à la pièce la forme désirée et les surfaces de l'exactitude optique demandée.