Procédé de fabrication de pièces optiques en matières plastiques
La présente invention est relative à la fabrication de pièces optiques, telles que lentilles, verres de lunettes, prismes, miroirs, etc., en matière thermoplastique transparente, notamment en résines synthétiques obtenues par polymérisation. Par polymérisation il faut entendre la polymérisation proprement dite et la polycondensation.
Lorsque le développement de la technique des matières plastiques a permis d'envisager l'utilisation de celles-ci pour la confection de pièces optiques, la première idée qui est venue naturellement à l'esprit a été d'opérer, comme pour les autres articles en matière plastique, par matriçage direct de la matière plastique, préalablement stabilisée chimiquement dans des matrices chauffées de dimensions correspondant à celles des produits finis. Mais ce mode opératoire, satisfaisant pour d'autres applications, s'est révélé tel que totalement impropre à produire des articles répondant aux qualités optiques requises.
Si l'on est parvenu sans difficulté à assurer le poli des surfaces extérieures des pièces matricées, en utilisant des matrices - en verre ou en métal - dont les parties en contact avec la matière thermoplastique étaient elles-mêmes soigneusement polies, il en a été tout autrement des qualités d'homogénéité et d'isotropie que doit présenter la masse même de la pièce moulée pour être utilisable en optique. Quel que soit le soin apporté, il se produisait au matriçage des tensions internes inévitables qui compromettaient les qualités optiques de l'article fini. A ce défaut capital, on a bien essayé de remédier en apportant à la pièce après matriçage des retouches ou en lui imposant un traitement.
Mais ces tentatives se sont révélées pratiquement inopérantes, se traduisant par des déformations ou défauts nouveaux quelquefois pires que ceux que l'on se proposait de corriger.
Selon la même conception du matriçage direct donnant immédiatement la pièce optique dans sa forme définitive, on a proposé de procéder au matriçage non plus avec de la matière, thermoplastique préalablement stabilisée, mais avec les produits de départ de cette matière (résine) et en effectuant au cours du matriçage la transformation chimique de celleci, à savoir la polymérisation ou la condensation de la résine. Effectivement, et à la condition de prendre diverses précautions, d'ailleurs variables suivant les auteurs, on est parvenu par ce moyen à obtenir des pièces optiques sans tensions internes donc isotropes.
Mais ce procédé, outre le soin exceptionnel qu'il exige, présente un grave inconvénient pratique. En raison de la durée nécessitée par la transformation chimique de polymérisation ou de condensation, laquelle atteint plusieurs heures, voire parfois une journée, les matrices se trouvent immobilisées pendant un temps prolongé. Comme chaque matrice est celle qui correspond au produit fini, c'est-à-dire à la combinaison optique des courbures de la pièce en fabrication, il en résulte une production très réduite. Ou inversement, pour avoir une production normale à caractère industriel, dans chaque combinaison optique, il faut prévoir une multiplicité de matrices correspondant à cette combinaison, autrement dit, un outillage considérable et coûteux de matrices.
De ce fait, l'utilisation industrielle du procédé conduirait à des investissements hors de proportion avec le résultat cherché et c'est l'une des raisons pour lesquelles le procédé ne s'est pas développé jusqu'ici.
Pour éviter cet inconvénient, on a proposé, en revenant au matriçage de la matière thermoplastique transformée et stabilisée chimiquement, de procéder en une double opération. On prépare d'abord, par des moyens mécaniques, une ébauche en matière thermoplastique, tirée d'un flan de matière homogène, et à laquelle on donne les dimensions approximatives de la pièce finie. Cette préparation s'effectue par les moyens usuels de façonnage mécanique : tournage, fraisage, meulage, polissage. Puis, en une seconde opération, on procède au matriçage à chaud de l'ébauche dans la matrice aux dimensions définitives.
De cette façon, on supprime l'ilnmobilisa- tion excessive des matrices et on obtient une bonne utilisation de l'outillage. Mais la qualité des produits obtenus s'avère variable selon le degré de précision avec laquelle l'ébauche est préparée.
Pour éviter que le matriçage crée des tensions internes rendant le produit défectueux, la préparation de l'ébauche doit être faite avec une grande précision, entraînant des soins minutieux.
La préparation mécanique des ébauches, selon ce procédé, exige un outillage important.
Elle comporte un travail dispendieux en raison des passes nombreuses de fabrication tronçonnage, ébauchage d'une face, ébauchage de la seconde face, polissage des deux faces, dégraissage, nettoyage, etc. De plus, au cours de ces opérations, il se produit nécessairement une perte énorme de matière première précieuse, de sorte que les avantages que l'on pouvait espérer de ce procédé ne se trouvent pas réalisés en raison des sujétions nombreuses qu'il comporte et des dépenses qu'il entraîne.
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication qui, comme les précédents, comporte une fabrication en deux phases préparation d'une ébauche, puis mise en forme de l'ébauche aux dimensions définitives par matriçage. ll est caractérisé en ce que l'on prépare par polymérisation les jeux d'ébauches identiques et en ce qu'à partir des ébauches identiques d'un même jeu, on réalise par matriçage à chaud des pièces optiques différentes.
On voit immédiatement que, selon ce procédé, la préparation mécanique des ébauches, avec ses inconvénients, se trouve totalement supprimée. Toute perte de matière est éliminée.
Si l'on a recours à la polymérisation dans des moules, avec sa durée inévitable, il faut remarquer que cette opération ne s'effectue pas dans les matrices aux dimensions définitives, mais avec un jeu de moules, en nombre limité, des ébauches identiques pouvant donner après un matriçage final diverses pièces finies présentant des surfaces optiques différentes. Alors que les moules de polymérisation sont en cours d'utilisation, les matrices définitives sont disponibles et leur mise en oeuvre ne comporte qu'une immobilisation très courte, puisqu'elle se borne à un matriçage rapide sans transformation chimique.
Le supplément d'outillage dû à la confection de moules de polymérisation se trouve compensé par l'économie considérable de matière et surtout de main-d'aeuvre. I1 en résulte que le procédé selon l'invention évite l'immobilisation d'un outillage important et réduit les frais de fabrication; il est économiquement avantageux.
Le procédé présente aussi, par rapport aux modes opératoires antérieurs, plusieurs avantages techniques.
Les ébauches obtenues par polymérisation dans un moule, non seulement sont exemptes de tensions internes, donc isotropes, mais elles offrent un poli superficiel excellent, que les ébauches préparées mécaniquement ne pouvaient avoir naturellement sans polissage spécial. Ce poli superficiel favorise la qualité des produits finis obtenus par le matriçage à chaud ultérieur. La qualité des produits finis est assurée sans les aléas dus aux imperfections d'exécution de la main-d'ceuvre, même spécialisée, et sans qu'il soit nécessaire de procéder à des mesures et contrôles de calibrage.
I1 est à noter, en outre, que la polymérisation, s'effectuant pour des ébauches, et non en vue de fournir directement la pièce optique finie, peut s'opérer dans des moules en acier ou autre métal, donc incassables. Cette possibilité constitue un avantage sur le moulage ou matriçage unique avec polymérisation qui né- cessite ordinairement des moules en verre fragiles.
Dans une forme préférée de mise en ceuvre du procédé selon l'invention, une ébauche présentant des surfaces courbées, obtenue dans la première opération de moulage par polymérisation, peut servir à la confection de pièces optiques dont les rayons de courbure diffèrent environ de 5 o/o en plus ou en moins de ceux de l'ébauche. Dans ces limites, les déplacements de matière, au cours du moulage final, ne produisent pas d'altération des qualités optiques.
Le procédé s'applique à la fabrication de toutes pièces optiques, et en particulier de lentilles. I1 permet la réalisation de celles-ci en toutes combinaisons optiques symétriques ou assymétriques, sphériques ou asphériques, telles que cylindriques, toriques, paraboliques, etc.
Un exemple de mise en ceuvre du procédé sera maintenant décrit en référence à la figure unique- du dessin annexé qui montre le passage d'une ébauche (en traits pointillés) à l'une des lentilles finales (en traits pleins).
On se propose de fabriquer une série de lentilles concavo-convexes en matière thermoplastique, de même rayon convexe R1= 90,9 mm et ayant respectivement pour rayon concave R2 les valeurs 74,1 mm 71,5 mm - 69 mm avec des épaisseurs E dans la partie la plus mince variant de 1,5 à 1,7 mm.
Dans ce but, on établit des ébauches identiques ayant pour rayon convexe r1 88,23 mm; pour rayon concave r2 = 75,9 mm et. pour épaisseur e = 1,8 mm.
Ces ébauches sont obtenues en coulant dans un moule unique, aux dimensions susindiquées dé l'ébauche, du méthacrylate de méthyle ou de styrène monomère et en assurant, de façon connue, la polymérisation proprement dite de cette résine par maintien du moule à la température de 1800 pendant 24 heures.
Une fois l'ébauche obtenue, de dimensions rl, r2, e, on la place entre les deux matrices d'un moule établi aux dimensions R1, R2, E, que doit avoir la lentille finie. Les deux matrices sont montées sur une presse hydraulique.
Par une légère pression de celle-ci, on amène les matrices en contact avec l'ébauche. et l'on chauffe les matrices à une température comprise entre 110 et 1800, de façon à obtenir le ramollissement de l'ébauche. La pression est ensuite augmentée pour communiquer à l'ébauche, rendue plastique par la chaleur, les dimensions définitives R1, R2, E. Après refroidissement, la lentille est sortie du moule complètement terminée.
Pendant cette opération, il importe de surveiller attentivement la température, et de régler le chauffage pour que la valeur optima, dépendant de la nature de la matière plastique, soit maintenue constante. Ce contrôle s'effectue au moyen des thermo-couples usuels montés sur les matrices de moulage.