DE4110248A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen herstellung von fresnellinsen aus thermoplastischen werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur konti­ nuierlichen Herstellung von Fresnellinsen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8.

Die diskontinuierliche Herstellung von Fresnellinsen ist zwar seit langem bekannt und praktikabel, die kontinuierliche und damit kosten­ günstigere Herstellung von endlosen Kunststoffbändern mit eingepräg­ ter Fresnellinsenstruktur ist aber nach wie vor ein ungelöstes, technisches Problem. Besondere Schwierigkeiten bereitete bisher die exakte Ausbildung der in das Trägermaterial einzuprägenden Fres­ nellinsenstruktur, deren Güte entscheidend die optische Qualität des Produktes bestimmt.

So ist aus der DE-PS 35 05 055 ein Verfahren bekannt, bei dem ein plastifiziertes Acrylglasband von einer Einlaufwalze zu einer Walze mit einem Formzylinder transportiert und gegen diese gedrückt wird. Anschließend gelangt das Acrylglasband zwischen ein diese Walze teilweise umschlingendes und in deren Drehrichtung mitlaufendes end­ loses Stahlband und der Formzylinderwalze. Durch die Vorspannung des endlosen Stahlbandes wird das Acrylglasband gegen die Formzylinder­ walze gepreßt und vom Einlaufspalt zwischen Walze und Stahlband zu deren Auslaufspalt transportiert. Die Temperatur der Formzylinderwal­ ze wird dabei so geregelt, daß am Einlaufspalt eine obere Grenztemperatur nicht überschritten wird und zum Auslaufspalt auf eine untere Grenztemperatur abfällt.

Nach dem Austritt des so gegen die Formzylinderwalze gepreßten und derart temperierten Acrylglasbandes aus dem Auslaufspalt wird dieses durch temperierte Druckluft oder ein anderes gasförmiges oder flüs­ siges Medium von der Formzylinderwalze abgelöst und im abgekühlten Zustand einem gekühlten Schneidtisch zugeführt.

Zwar ist mit einer nach diesem Verfahren betriebenen Vorrichtung ein Acrylglasband kontinuierlich herstellbar. Nachteilig ist aber, daß sich die beanspruchte Herstellbarkeit von Fresnellinsen nicht rea­ lisieren läßt. Umfangreiche Versuche haben gezeigt, daß einerseits die Anpreßkraft des mitlaufenden endlosen Stahlbandes nicht aus­ reicht, um die für hochwertige Fresnellinsen notwendige homogene Plattendicke und die Ausprägung auch der feinsten Linsenstrukturen zu garantieren. Andererseits stößt die dort vorgeschlagene Tempe­ raturführung durch die Formzylinderwalze auf nicht zu lösende technische Probleme. Schließlich muß diese Walze nach ihrer Ab­ kühlung auf die untere Grenztemperatur vergleichsweise schnell in den Bereich der oberen Grenztemperatur aufgeheizt werden, um so nach etwa einer halben Walzenumdrehung erneut im Einlaufspalt das hier höher zu temperierende Acrylglasband aufzunehmen. Selbst wenn man das Problem außer acht läßt, daß sich durch das mitlaufende Stahl­ band nicht die zur exakten Ausbildung der Fresnellinsenstruktur not­ wendige Anpreßkraft auf das Kunststoffband ausüben läßt, so bleibt doch der Nachteil, daß für die Abkühlung und Aufheizung des Zylin­ dermantels vergleichsweise viel Zeit benötigt wird, so daß die ge­ wünschte Produktivitätssteigerung durch erhöhten Acrylglasbandaus­ stoß pro Zeiteinheit sich nur unerheblich von dem der bekannten dis­ kontinuierlichen Verfahren unterscheidet.

Als nachteilig hat sich zudem erwiesen, daß die nach dem bekannten Verfahren hergestellten Fresnellinsen große Dickenunterschiede auf­ weisen, was ihren Gebrauchszweck noch weiter verschlechterte. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, daß das Prägewerk direkt vom Ex­ truder gespeist wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzustellen, mit denen kontinuierlich Fresnellinsen hoher optischer Güte herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das in einem Extruder plastifizierte Material wird gemäß des hier beanspruchten Verfahrens einem Glättkalander zugeführt, wo es zu einem bezüglich seiner Breite, Dicke und Temperatur homogenen Materialband bearbeitet wird. Von besonderer Bedeutung für die Fokus­ siereigenschaft der späteren Fresnellinse ist die genaue Dicke, während die Temperatur des Materialbandes für die Ausprägung der Fresnelgeometrien und damit für ihr Auflösungsvermögen wichtig ist.

Das bis knapp oberhalb seiner Plastifizierungstemperatur abgekühlte Materialband gelangt vom Glättkalander zu einem Prägewerk, wo es in den Spalt zwischen einer rotierenden Prägewalze und einer gegen­ läufig rotierenden Andrückwalze eingeführt wird. Dabei wird das Materialband von einem endlosen, vorgespanntem Stahlband und der An­ drückwalze gegen die Prägewalze gedrückt und in einer bis zum An­ drückpunkt einer Hochdruckwalze reichenden Hochdruckzone auf seiner der Prägewalze zugewandten Seite von einer vorgeheizten Prägematrize aufgeschmolzen und die Fresnelstruktur eingeprägt. In einer der Hochdruckzone folgenden Niederdruckzone wird das Materialband abge­ kühlt, um dann von der Prägewalze gelöst und zu anderen Bearbeitungs­ stationen transportiert zu werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich nach dem beschriebenen Verfahren PMMA zu einem kontinuierlichen Fresnelband verarbeiten. Da der Temperatur­ führung neben dem Erreichen der notwendigen Andrückkräfte in der Hochdruckzone entscheidende Bedeutung zukommt, sollte die Material­ temperatur im Einzugsbereich des Glättkalanders 150° bis 200°C und in dessen Auslaufbereich 85° bis 110°C betragen.

Im Einzugsbereich des Prägewerkes ist eine Materialbandtemperatur von 85° bis 110°C notwendig, um einerseits ein Wegfließen des Kunst­ stoffes zu verhindern, andererseits aber auch die Temperaturdifferenz zur Schmelztemperatur so gering wie möglich zu halten.

Während des Schmelzprägens in der Hochdruckzone sollte die der Präge­ matrize zugewandte Seite des Materialbandes eine Temperatur zwischen 250° bis 300°C erreichen, so daß ein einwandfreies Ausfüllen auch der feinsten Fresnelstrukturen durch die Schmelze gewährleistet ist. Dagegen muß die Rückseite des Materialbandes innerhalb der Hochdruck­ zone über wenigstens 50 % der Materialbanddicke auf eine Temperatur von 85° bis 100°C gehalten werden, damit das Materialband wegen des hohen Anpreßdruckes nicht seitlich wegfließt. Im Auslaufbereich der Hochdruckzone sollte jedoch die Maximaltemperatur 100°C nicht über­ steigen.

Der Materialdruck in der Hochdruckzone des Prägewerkes muß 200 bis 600 bar, vorzugsweise 300-500 bar betragen, während in der nach­ geordneten Niederdruckzone 3 bis 8 bar ausreichend sind.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens läßt sich anhand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels veranschaulichen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Übersicht über die Herstellvorrichtung, bestehend aus den Haupt­ komponenten Glättkalander und Prägewerk,

Fig. 2 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht des Prägewerkes,

Fig. 3 eine vereinfachte Vergrößerung der Hoch­ druckzone des Prägewerkes und

Fig. 4 einen Andrückschuh mit Zylinderrollen.

Gemäß Fig. 1 ist ein Glättkalander 3 von einem Extruder 1 mit einem kontinuierlichen Materialband 2 aus thermoplastischem Kunststoff speisbar. Das in diesem Kalander 3 glätt- und kühlbare Materialband 2 läßt sich über eine Rollenabzugsvorrichtung 4 zum Prägewerk 23 transportieren, wo es von oben kommend in den Prägespalt einführbar ist.

Das Prägewerk 23 umfaßt eine Prägewalze 8, die etwa zur Hälfte ihres Umfanges von einem vorgespannten endlosen Stahlband 9 umschlungen ist. Das Stahlband 9 ist in an sich bekannter Weise um eine Andrück­ walze 5, eine Umlenkwalze 6 und eine Spannwalze 7 geführt. Zusätz­ lich ist eine Hochdruckwalze 10 vorgesehen, die gegenüber der Ein­ zugszone zwischen Präge- und Andrückwalze 5, 8 angeordnet ist und mit diesen Walzen 5, 8 einen länglichen Hohlraum 12 einschließt (Fig. 2).

Die Prägewalze 8 besteht aus einem Prägewalzenzentralkörper 16, der von Kanälen 15 für ein Kühlmedium, wie etwa Wasser, durchzogen ist. Auf der Oberfläche des Zentralkörpers 16 befindet sich eine thermisch isolierende Materialschicht 14, deren thermische Leitfähigkeit unter Druck abnimmt. Auf dieser Isoliermaterialschicht 14 ist eine Präge­ matrize 13 aufgespannt, die zum Aufschmelzen und Einprägen der Fres­ nellinsenstrukturen in die Materialbandoberfläche dient. Zudem be­ findet sich im nicht von dem endlosen Stahlband 9 umschlungenen Prägematrizenbereich eine Heizvorrichtung 17, die vorzugsweise als Infrarotstrahler ausgebildet ist.

Ein in diesem Prägewerk 23 zu prägendes Materialband 2 gelangt gemäß Fig. 2 in etwa senkrecht von oben kommend in den Spalt, der zwischen der Prägewalze 8 und der noch vom Stahlband 9 umschlungenen Andrück­ walze 5 gebildet wird.

In einer Hochdruckzone, die sich durch den Winkel beschreiben läßt, der durch die Verbindungsgeraden zwischen den Drehachsen von Präge- und Andrückwalze 8, 5 sowie Präge- und Hochdruckwalze 8, 10 einge­ schlossen ist, wird das Materialband 2 von der durch die Heizvor­ richtung 17 vorgeheizten Prägematrize 13 einseitig soweit aufge­ schmolzen, daß die Materialschmelze unter einem Druck von 200 bis 600 bar, vorzugsweise von 300 bis 500 bar, auch die feinsten Fresnellinsenstrukturen der Prägematrize 13 ausfüllen kann.

In einer anschließenden Niederdruckzone, die zwischen dem Ende der Hochdruckzone und dem Ende der Umschlingung der Prägewalze 8 durch das Stahlband 9 beschrieben werden kann und den Winkel einschließt, wird das schmelzgeprägte Materialband 2 bei einem Anpreßdruck von 3 bis 8 bar, vorzugsweise von 4 bis 6 bar, durch das im Zentralkörper 16 fließende Kühlmittel und gegebenenfalls vorgesehenen Kühlgebläsen an der Außenseite des Stahlbandes 9 abgekühlt.

Über eine weitere Rollenabzugsvorrichtung 4 wird es schließlich vom Prägewerk 23 kommend zu weiteren Bearbeitungsstationen weitergelei­ tet.

Da neben der Temperierung des Materialbandes die Erzeugung des ge­ wünschten Anpreßdruckes von entscheidender Bedeutung für die Aus­ bildung auch der feinsten Linsenstrukturen ist, muß das Material­ band 2 in der Hochdruckzone möglichst gleichmäßig einer hohen An­ preßkraft ausgesetzt werden. Diese wird durch ein in dem durch die Anpreßwalze 5, die Prägewalze 8 und die Hochdruckwalze 10 gebildeten länglichen Hohlraum 12 befindliches Mittel ermöglicht.

Dieses Mittel läßt sich in drei Ausführungsformen konkretisieren, wobei die jeweilige Ausführungsform allein oder in Kombination mit einer der beiden anderen Ausführungsformen verwendbar ist.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des durch die Walzen 5, 8, 10 gebildeten Hohlraumes, in dem in einer ersten Ausführungs­ form ein massiver Gleitschuh 22 angeordnet ist. Dieser Gleitschuh erstreckt sich über die gesamte Walzenbreite und wird an seinen stirnseitigen Enden von Kolben-Zylinder-Anordnungen 19 gehalten, mit deren Hilfe dieser Gleitschuh gegen das endlose Stahlband 9 preßbar ist. Um eine optimale Kraftübertragung auf das Stahlband 9 und darüber auf das Materialband 2 zu gewährleisten, weist die Seite des Gleitschuhs, die der Prägewalze 8 zugewandt ist, annähernd den Krümmungsradius des Stahlbandes 9 in diesem Bereich auf. Ein zwischen die Oberfläche vom Stahlband 9 und dem Gleitschuh 22 einbringbares Gleitmittel verhindert einen zu starken Verschleiß der aufeinander reibenden Materialien. Zudem kann gemäß Fig. 4 der Schuh 22 als An­ drückschuh 25 mit Zylinderrollen 26 ausgestaltet sein, wodurch der Einsatz eines Gleit- oder Schmiermittels entbehrlich wird.

In einer zweiten Ausführungsform ist der Hohlraum 12 an den stirn­ seitigen Enden der Walzen 5, 8, 10 durch jeweils eine Abdeckvorrich­ tung 18 druckdicht abgedeckt. Über wenigstens eine Öffnung 21 in dieser Vorrichtung 18 ist ein flüssiges oder gasförmiges Druck­ mittel in den Hohlraum einpreßbar, so daß über das Stahlband 9 der notwendige Anpreßdruck auf das zu prägende Materialband 2 ausgeübt werden kann. Werden die erste und die zweite Ausführungsform des den notwendigen Anpreßdruck erzeugenden Mittels kombiniert, erfüllt das flüssige Druckmittel gleichzeitig die Aufgabe des Gleitmittels, das zwischen dem Gleitschuh 22 und dem sich mit der Prägewalze 8 drehenden Stahlbandes 9 eingezogen wird.

In einer dritten Variante ist wiederum ein flüssiges Druckmittel vorgesehen, welches allerdings über eine ausreichend hohe Viskosi­ tät verfügen muß, um zwischen dem Stahlband 9 und der Andrückwalze 5 in den Hohlraum 12 eingezogen werden zu können. Wie Fig. 1 entnehm­ bar ist, wird dieses flüssige Druckmittel 20 einem Druckmittelbe­ hälter 11 entnommen und auf dem Stahlband 9 abgelegt. Dieses fördert es zusammen mit der Andrückwalze 5 in den Hohlraum 12, der auch in diesem Ausführungsbeispiel mit, hier allerdings nicht dargestellten, stirnseitigen Abdeckvorrichtungen 18 druckdicht abgedeckt ist.

Die Hochdruckwalze 10 ist ebenso wie bei den beiden ersten Varianten so dicht an der Andrück- bzw. Prägewalze 5, 8 angeordnet, daß auf­ grund der Relativbewegungen der sich drehenden Walzen 5, 8, 10 im wesentlichen nur zwischen den Walzen 8, 10 das flüssige Druckmittel 20 unter hohem Druck austreten kann, um dann über ein nicht darge­ stelltes Rückführsystem in den Druckmittelbehälter 11 zurückgeführt zu werden. Falls notwendig, kann ein Schaber 24 eine ordnungsgemäße Ablösung des Druckmittels 20 von dem Stahlband 9 bewirken. Zur Ver­ meidung von zu großen Reibungskräften zwischen der Hochdruckwalze 10 und der Andrückwalze 5 kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Vorrichtungsvariante vorgesehen sein, daß der Abstand zwischen diesen Walzen so gewählt wird, daß ein dünner Film von Druckmittel 20 auch zwischen diesen Walzen durchtritt.

Bezugszeichenliste

 1 Extruder
 2 Materialband
 3 Glättkalander
 4 Rollenabzugsvorrichtung
 5 Andrückrolle
 6 Umlenkrolle
 7 Spannrolle
 8 Prägewalze
 9 endloses Stahlband
10 Hochdruckwalze
11 Druckmittelbehälter
12 Hohlraum
13 Prägematrize
14 Isolationsmaterial
15 Temperierkanal
16 Prägewalzenzentralkörper
17 Heizvorrichtung
18 Abdeckvorrichtung
19 Kolben-Zylinder-Anordnung
20 flüssiges oder gasförmiges Druckmittel
21 Einspritzöffnung
22 Gleitschuh
23 Prägewerk
24 Schaber
25 Andrückschuh
26 Zylinderrolle
α Hochdruckzone
β Niederdruckzone

Claims (16)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Fresnel­ linsen aus thermoplastischen Werkstoffen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - Extrudieren eines thermoplastischen Kunststoffes zu einem breiten und dünnen Materialband,
• - Einführen des Materialbandes in ein Kalanderglätt­ werk,
• - Glätten und Abkühlen des Materialbandes bis knapp oberhalb seiner Plastifizierungstemperatur,
• - Einführen des Materialbandes in den Prägespalt zwischen einer Prägewalze und einer Andrückwalze, wobei das Materialband von einem endlosen, vor­ gespannten Stahlband und der Andrückwalze gegen die Prägewalze gedrückt wird,
• - Aufschmelzen der Seite des Materialbandes, die der Prägewalze zugewandt ist, gleichzeitige Druckbe­ aufschlagung des Materialbandes in einer Hochdruck­ zone und damit einhergehend die Ausbildung der Fresnellinsenstrukturen im Materialband,
• - Kühlen des Materialbandes und der Prägewalzen­ oberfläche in einer Niederdruckzone,
• - Ablösen des Materialbandes von der Prägewalzen­ oberfläche und Weitertransport zu anderen Bearbei­ tungsstationen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß als thermoplastischer Kunststoff PMMA (Polymethyl­ methacrylat) verwendet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Materialbandtemperaturen im Einzugsbereich des Glättkalanders von 150° bis 200°C, im Auslaufbereich des Glättkalanders von 85° bis 110°C und im Einzugsbereich der Prägewalze von 85° bis 110°C.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die der Prägewalze zugewandte Seite des Material­ bandes im Bereich der Hochdruck-Aufschmelzzone auf eine Temperatur zwischen 250° bis 300°C aufgeheizt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der von der Prägewalze abgewandte Bereich des Materialbandes über wenigstens 50% der Materialband­ dicke auf einer Temperatur von 850 bis 100°C gehalten wird.

6. Verfahren nach einer oder mehreren der vorhandenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet daß im Auslaufbereich der Hochdruckzone die geprägte Oberfläche des Materialbandes eine Temperatur von maximal 100°C aufweist.

7. Verfahren nach einer oder mehreren der vorhandenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet daß im Bereich der Hochdruck-Aufschmelzzone ein Mate­ rialdruck von 200 bis 600 bar, vorzugsweise von 300 bis 500 bar, aufrechterhalten wird, und daß der Mate­ rialdruck in der Niederdruckzone zwischen 3 bis 8 bar, vorzugsweise auf 4 bis 6 bar, gehalten wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, umfassend einen aus wenigstens drei Walzen bestehenden Glättkalander (3), einer diesem Glätt­ kalander nachgeordneten Prägevorrichtung (23) bestehend aus wenigstens einer Präge- und einer Andrückwalze (8, 5) sowie Rollenzuführ- und -abzugsvorrichtungen (4), bei der die Prägewalze (8) zu wenigstens der Hälfte ihres Umfangs von einem endlosen Stahlband (9) um­ schlungen ist und bei der das Stahlband um Umlenk-, Andrück- und Spannwalzen (5, 6, 7) geführt und gespannt ist und bei der die Prägewalze (8) über einen von Temperierkanälen (15) durchzogenen Zentralkörper (16) verfügt, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Zentralkörperoberfläche eine thermisch ab­ schirmende Isoliermaterialschicht (14) vorgesehen ist, daß auf dieser Isoliermaterialschicht eine Präge­ matrize (13) aufgespannt ist,
daß über der Prägematrize (13) im Bereich des Material­ einzuges einer Heizvorrichtung (17) angeordnet ist, daß ein Hochdruck-Aufschmelzbereich entlang einer Umfangsstrecke der Prägewalze (8) gebildet wird, die vom Andruckpunkt der Andrückwalze (5) bis zum An­ druckpunkt der Hochdruckwalze (10) reicht,
daß ein Niederdruckbereich vom Andrückpunkt der Hoch­ druckwalze (10) bis zu dem Punkt reicht, in dem das endlose Stahlband (9) die Prägewalze (8) nicht mehr umschlingt,
daß die Hochdruckwalze (10) derart zwischen der mit dem Stahlband (9) versehenen Prägewalze (8) und der Andrückwalze (5) angeordnet ist, daß ein länglicher Hohlraum (12) zwischen diesen drei Walzen gebildet wird, in dem sich ein einen Flächendruck auf das Stahlband (9) erzeugendes Mittel befindet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß der Hohlraum (12) auf den Stirnseiten der Walzen (5, 8, 10) über Abdeckbleche (18) druckdicht abge­ schlossen ist und daß ein flüssiges oder gasförmiges Druckmedium (20) durch eine Öffnung (21) in wenigstens einem Abdeckblech (18) einpumpbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und/oder Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet daß in dem Hohlraum (12) ein Gleitschuh (22) ange­ ordnet ist, der auf seiner dem endlosen Stahlband (9) zugewandten Seite in etwa den Krümmungsradius des Stahlbandes (9) im Hochdruckbereich aufweist und der über Kolben-Zylinder-Anordnungen (19) an seinen stirn­ seitigen Enden gegen das Stahlband (9) anpreßbar ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet daß ein hochviskoses Druckmittel (20) zwischen dem Stahlband (9) und der Andrückwalze (5) in den Hohl­ raum (12) unter Ausbildung eines hohen Überdruckes ein­ ziehbar ist und im Niederdruckbereich von dem Stahl­ band (9), vorzugsweise mittels eines Schabers (24), lösbar ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß die Heizvorrichtung (17) aus Infrarotstrahlern oder Heißluftgebläsen besteht.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß im Niederdruckbereich auf der dem Stahlband (9) abgewandten Seite Kühlgebläse vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß die Temperierkanäle (15) als Kühlkanäle ausge­ bildet sind, die vorzugsweise nur im Niederdruck­ bereich von einem Kühlmedium durchflossen werden.

15. Vorrichtung nach den Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet daß das zur Anwendung gelangende Isoliermaterial (14) im Bereich der Niederdruckzone schlechte thermische Isolationseigenschaften und im Bereich der Hochdruck­ zone gute Isolationseigenschaften aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß der Schuh (22) als Andrückschuh (25) mit Zylinder­ rollen (26) an der dem Stahlband (9) und/oder allen den Walzen (5, 8, 10) zugewandten Seiten ausgestaltet ist.