FI121742B - Menetelmä optisen tuotteen valmistamiseksi ja laitteisto - Google Patents

Description

Menetelmä optisen tuotteen valmistamiseksi ja laitteisto

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on menetelmä optisen työkappaleen valmistamiseksi, jossa menetelmässä työkappale pinnoitetaan ainakin yhdeltä puolelta, 5 jossa menetelmässä työkappaleen pintaa käsitellään adheesiota parantavalla prosessilla, minkä jälkeen pinnalle sovitetaan ensimmäinen pinnoite ja ulommainen pinnoite niin, että tehdään kaikki menetelmävaiheet adheesiota parantavasta prosessista uloimmaisen pinnoitteen sovittamiseen automaattisessa tuotantoprosessissa, jossa kuljetinjärjestelmä kuljettaa työkappaleet adheesio-10 ta parantavaan prosessiin ja viimein pois uloimmaisen pinnoitteen sovittamis-vaiheesta.

Edelleen keksinnön kohteena on laitteisto optisen työkappaleen valmistamiseksi työkappaleesta, joka laitteisto käsittää välineet työkappaleen pinnan käsittelemiseksi adheesiota parantavalla prosessilla, välineet ensim-15 mäisen pinnoitteen sovittamiseksi käsitellylle pinnalle, välineet ulommaisen pinnoitteen sovittamiseksi, ja kuljetinjärjestelmän, joka on sovitettu kuljettamaan työkappaleet adheesiota parantavaan prosessiin ja viimein pois uloimmaisen pinnoitteen sovittamisvaiheesta.

Tunnetaan useita menetelmiä valmistaa pinnoitettuja optisia tuottei-20 ta, kuten esimerkiksi silmä-, aurinko- ja suojalaseja, joiden dimensiot ja 3d-muotoerot ovat suuret. Näiden valmistukseen liittyy eräitä ongelmia.

Esimerkiksi silmälasien valmistuksessa erilaisten linssien tai lins-siaihioiden suuri lukumäärä aiheuttaa ongelmia niiden käsittelyssä pinnoitus-prosesseissa. Linssien tai linssiaihioiden halkaisija vaihtelee 45 mm - 80 mm 25 välillä 0,5 mm:n välein - paksuus- ja kaarevuusvariaatiot huomioiden eri vaih-^ toehtoja on satoja. Suuresta erilaisten linssien tai linssiaihioiden lukumäärästä ^ johtuen on ollut mahdotonta luoda automaattisia linssien tai linssiaihioiden kä-

(M

9 sittelyjärjestelmiä. Tunnetussa tekniikassa linssin tai linssiaihion käsittelyyn o sisältyykin lukuisia käsityömäisiä vaiheita, joissa linssi tai linssiaihio sovitetaan | 30 varta vasten kyseessä olevan aihion mittojen mukaan valmistettuun kiinnitti- meen, ripustimeen tai sovitusrenkaaseen. Tämän jälkeen linssit tai linssiaihiot § sovitetaan kiinnittimen tai ripustimen avulla käsittelylaitteisiin. Tällainen valmis- o tus on hidasta ja kallista. Lisäksi on tyypillistä, että linssiaihiota kuljetetaan ja o ^ käytetään monessa eri työprosessissa ennen kuin haluttu lopputulos on saatu 35 aikaan.

2

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen ja parannettu menetelmä ja laitteisto.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että me-5 netelmässä integroidaan työkappaleen optisen alueen kanssa pidike, joka on tasomainen uloke ja jonka ulommainen reuna on työkappaleen optisen alueen halkaisijasta r riippumatta aina vakio.

Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, että mainittu kuljetinjärjestelmä käsittää välineet pidikkeeseen tarttumiseksi, joka pidike on 10 tasomainen uloke, joka on integroitu työkappaleen optisen alueen kanssa ja jonka ulommainen reuna on työkappaleen optisen alueen halkaisijasta r riippumatta aina vakio.

Keksinnön erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että työkap-paleet eli linssit tai linssiaihiot käsittävät vakiokokoisen pidikkeen, jonka ansi-15 osta linssiä tai linssiaihiota voidaan käsitellä automaattisin käsittelyvälinein, kuten roboteilla ja manipulaattoreilla tai muilla vastaavilla.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksinnön eräitä sovellutusmuotoja selitetään tarkemmin oheisissa piirustuksissa, joissa 20 kuvio 1 esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaista menetel mää vaihekaaviona, kuvio 2 esittää kaavamaisesti eräitä keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettäviä linssiaihioita sivustapäin ja päältäpäin, kuviot 3a ja 3b esittävät kaavamaisesti eräitä keksinnön mukaisen 25 menetelmän vaiheita sivustapäin, o kuvio 4 esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaisella mene-

<M

^ telmällä valmistettua optista tuotetta eri rakennekerrokset erillään ja sivusta- ° päin,

CO

° kuvio 5 esittää kaavamaisesti erästä toista keksinnön mukaisella | 30 menetelmällä valmistettua optista tuotetta eri rakennekerrokset erillään ja si- vustapäin, o kuvio 6 esittää erästä kastomenetelmää, o kuvio 7 esittää eräällä kastomenetelmällä valmistettua optista tuotet- w ta, 3 kuvio 8 esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaista laitteistoa ja menetelmää, kuvio 9 esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaista laitteistoa ja menetelmää, 5 kuvio 10 esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaisen mene telmän eräitä vaiheita, kuvio 11 esittää kaavamaisesti keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen laitteiston eräitä osia, kuvio 12 esittää kaavamaisesti keksinnön erään suoritusmuodon 10 mukaisen laitteiston toisia osia, kuvio 13 esittää kaavamaisesti keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen laitteiston toisia osia, kuvio 14 esittää kaavamaisesti oskilloivaa mikrosuihkutulostinta pinnoittamassa substraattia, 15 kuvio 15 esittää kaavamaisesti kuvion 14 mikrosuihkutulostimella valmistettua pinnoitustulosta päältäpäin, kuvio 16 esittää kaavamaisesti keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen laitteiston osaa päältäpäin, ja kuvio 17 esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaista mene-20 telmää ja siinä käytettävää laitteistoa.

Kuvioissa keksinnön eräitä suoritusmuotoja on esitetty selvyyden vuoksi yksinkertaistettuna. Samankaltaiset osat on merkitty kuvioissa samoilla viitenumeroilla.

Keksinnön eräiden sovellutusmuotojen yksityiskohtainen selostus 25 Keksinnön mukaisen menetelmän kovapinnoitus- ja AR- ^ funktiopinnoitusten tuotantojärjestelmä perustuu pelkästään märkätyöproses- ^ siin, missä työkappaleet ovat edullisesti jatkuvan liikkeen alaisia riippumatta 9 mitä työprosessia niihin sovelletaan. Tällainen tuotantojärjestelmä toimii kat- o keamattomasti siten, että tuote laitetaan sisään menetelmän toteuttavan lait- | 30 teen ensimmäisessä päässä ja valmis tuote tulee ulos laitteen toisesta päästä.

^ Eräässä keksinnön suoritusmuodossa tuotteen liike pysäytetään § määräajoin työprosessien ajaksi, minkä jälkeen tuote jatkaa matkaansa. Tuot- o teen ja sitä kuljettavan kuljetinjärjestelmän liike voi olla askeltava, eli tuotetta o ^ siirretään askel eteenpäin, liike pysähtyy pinnoituksen tms. työprosessin ajaksi, 35 ja tuotetta siirretään taas askel eteenpäin. Tällöin pinnoittava mikrosuihkutus-pää voi olla tuotteen suhteen liikkumaton tai se voi liikkua kuljetussuunnan 4 suuntaisesti tai tämän suunnan suhteen poikittaisessa suunnassa. Tuotetta ei kuitenkaan poisteta sitä kuljettavasta kuljetinjärjestelmästä työprosessien ajaksi.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä integroidaan ja automatisoi-5 daan tuotantojärjestelmä, joka perustuu ainoastaan märkätyöprosessiin ja jossa on yhdistetty kovapinnoituslakan avulla ja AR-funktion tuottaminen Sol-Gel-menetelmällä. Lakkaan ja/tai Sol-Gel-luokseen voidaan sijoittaa lisäaineita, jotka saavat aikaan erilaisia toiminnallisia ominaisuuksia mainittuihin kerroksiin kuten esimerkiksi IR- tai UV-estofunktiot, fotokromaattinen funktio tai värjäys-10 funktio jne.

Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu erityisen hyvin - mutta ei yksinomaan - optisten kolmeulotteisten (3-D) 1,2-12 mm paksujen, joka paksuus voi olla muuttuva, optiselta alueeltaan läpimitaltaan 42 - 82 mm olevien työkappaleiden valmistamiseen. Tällaisista tuotteista esimerkkinä mainittakoon 15 silmä-, aurinko- ja suojalasit. Menetelmällä voidaan tuottaa erilaisia sovelluksia pintakompositioista, missä on ainakin yksi pinnoitekerros tai -materiaali, joka käsittää oksidimateriaalia. Tällaisista pintakompositioista mainittakoon esimerkkeinä seuraavat kompositiot A-E: A.

20 1. tartuntapinnoite ja ensimmäinen kovapinnoite nanofilleroitua lak kaa, esimerkiksi AI2O3, ZrC>2, S1O2, keraami- tai timanttinanofillerillä, paksuudeltaan 10-40 nm, 2. AR-ja toinen kovapinnoite Sol-Gel menetelmällä, jotka molemmat pinnoitteet on luotu mikrosuihkumenetelmällä ja on 25 sitten kovetettu joko termisesti, UV-, IR-, tai mikroaaltosäteillä.

B.

5 Sama, kuin A., mutta pinnoitettu kastomenetelmällä.

(M

Λ c- ° 1. Tartuntapinnoite ja ensimmäinen kovapinnoite kastolakkaamalla 0 30 nanofilleroidulla lakalla, muuten samat komponentit kuin kompositiossa A., 1 2. AR- sekä toinen kovapinnoite Sol-Gel menetelmällä, missä pin- i^. noitusaineet on levitetty mikrosuihkumenetelmällä.

o tn n to o 1. Tartuntapinnoite ja ensimmäinen kovapinnoite mikrosuihkumene- ^ 35 telmällä, 5 2. AR- ja toinen kovapinnoite Sol-Gel-menetelmällä, missä pinnoi-tusaineet on levitetty mikrosuihkumenetelmällä, missä viimeinen kova pinta on oksidi-, kuten AI2O3-, ZrCV tai ke-raamipinnoite ja on valmistettu tyhjöhöyrystyksellä, kuten DC-sputteroinnilla, 5 PICVD:llä (Plasma Impulse Chemical Vapour Deposition) tai laserablaatiome-netelmällä.

E.

Selektiivinen työkappaleen pinnoitus on sovellus, missä uiko- ja sisäpuoli työkappaleesta pinnoitetaan eri aineilla siten, että myös tuotettu funktio 10 on erilainen eri puolilla työkappaletta. Selektiivisessä työkappaleen pinnoituksessa pinnan funktioihin voidaan vaikuttaa eri työvaiheissa ainakin kolmessa eri tasossa: a) lakkakerroksessa, b) Sol-Gel-kerroksessa tai c) tyhjöpinnoite-tussa kerroksessa, mikäli sellainen on tuotettu. Mikäli lakkapinnalla halutaan vaikuttaa joihinkin funktioihin, ovat ne tyypillisesti seuraavat: 15 transitiofunktio sovitettuna työkappaleen ulkopinnan puolelle eli ku peralle puolelle, ja IR- ja/tai UV-esto työkappaleen sisäpinnalla, koveralla puolella, toeutettuna ITO, ATO tai muilla oksideilla, joiden optinen ikkuna on 400-700 nm. On tunnettua, että lakoissa yleensäkin on esim. T1O2 partikkeleita tai-tekertoimen nostoa varten.

20 Kuviossa 1 on esitetty kaavamaisesti eräs keksinnön mukainen me netelmä vaihekaaviona. Menetelmässä integroidaan kolme eri työprosessia samaan yhtenäiseen tuotantolinjaan. Työprosessit ovat plasmaetsaus ja/tai ultraäänipesu 1, lakkaus, edullisesti nanofilleroidulla, kovalakalla mikrosuihkumenetelmällä 2 ja Sol-Gel liuoksen sovittaminen kovalakan päälle käyttäen 25 mikrosuihkumenetelmää 3 integroituna yhteen ja samaan tuotantolinjaan. Pin-noitusprosessit voidaan suorittaa inertissä kaasuatmosfäärissä, josta esimerk-o keinä, argon, typpi, ksenon, helium, kuiva ilma jne. jolloin pinnoitteen laatu,

CM

^ esimerkiksi sen kovuus, paranee. Vielä on edullista, että pinnoitusprosessit ° tehdään puhdastilaatmosfäärissä.

0 30 Keksintö esittää ratkaisun ongelmiin miten saada aikaan 1 a) erinomainen adheesio itse linssin pintaan ja eri pinnoitteiden välil- i— le, o [£ b) miten aikaansaada kovapinnoitus, o c) miten aikaansaada heijastamattomuus (tästedes AR-funktio, eng- ^ 35 länniksi Anti-Reflective), IR-ja UV-estopinnoite (Infra Red, Ultra Vio let), ja 6 d) miten eri pinnoitteet voidaan sijoittaa selektiivisesti työkappaleen molemmille puolille automaattisessa työprosessissa.

Menetelmässä pinnoitetta voidaan tuottaa selektiivisesti, eli voidaan tarvittaessa esimerkiksi jättää kokonaan pinnoittamatta alueita, vaikkapa toinen 5 puoli linssisitä, tai voidaan tuottaa tietyille alueille paksumpia tai ohuempia pin-noitekerroksia.

Pinnoituksia voidaan tehdä esimerkiksi mikrosuihkutusmenetelmillä, jotka voivat olla esimerkiksi: 1. Yleisesti tunnettu mustesuihkuprinttaus, (Inkjet printer) 10 2. Pietsotoiminen painesuihkutus 3. Pietsotoiminen rivisuihkutus 4. Oskilloiva mikrosuihkuprinttaus 1. Mustesuihkuprinttaus 15 Tyypillisesti pietsoelementtiin perustuva, tulostukseen käytetty jär jestelmä, jossa jokaista yksittäistä suutinta voidaan ohjata itsenäisesti ja jokaisen pisaran kokoa ja niiden määrää voidaan ohjelmallisesti säätää. Mahdollistaa pinnoitussovelluksessa tarkan selektiivisen pinnoituksen ja tarkan pinnan paksuuden vaihtelun säädön.

20 2. Pietsotoiminen painesuihkutus, passiivinen. Paineistettu lakka annostellaan pisaroiksi nopeassa tahdissa toimivalla pietsoventtiilillä. Varsinaisessa suutinmoduulissa kaikkiin suuttimiin tulee pumpulta venttiilin kautta aina sama paine samanaikaisesti. Järjestelmä soveltuu tasaisille pinnoille, joissa tuotettava pinnanpaksuus on koko alueella vakio. Pietsoventtiilillä ohjattava 25 paine on hyvin korkea, tyypillisesti yli 10 MPa (100 bar), jopa 200 MPa (2000 bar).

5 3. Pietsotoiminen rivisuihkutus, aktiivinen. Esipaineistettu lakka an-

(M

^ nostellaan pisaroiksi nopeassa tahdissa suutinmoduulissa järeän pietsoele- ° mentin avulla useasta suuttimesta samanaikaisesti, tyypillisesti yli viidestä suu- ° 30 tinreiästä yhtä pietsoelementtiä kohti. Suuttimet on jaettu ainakin kahteen suu- | tinmoduuliin eli riviin, jossa kussakin on ainakin kaksi suutinta. Suutinmoduulin toimintaa voidaan ohjata toisten suutinmoduulien toiminnasta riippumatta. Jär-o [£ jestelmä soveltuu tasaisille pinnoille, joissa tuotettava pinnanpaksuus on koko o alueella vakio. Varsinainen suihkutuspaine tuotetaan suihkutusmodulissa piet- ^ 35 soelementillä, joten esipaineistus ei tarvitse olla korkea, tyypillisesti alle 10 MPa (100 bar).

7 4. Oskilloiva mikrosuihkuprinttaus. Tätä on käsitelty tarkemmin kuvioiden 14 ja 15 yhteydessä.

Pietsosuutin toimii tyypillisesti pietsoelementin suihkutettavaan nesteeseen tuottaman akustisen aallon voimalla, eli pisara lentää suuttimesta 5 akustisen aallon tuottaman paikallisen paineen vaikutuksesta.

Rivisuihkutusta käytettäessä, tarvittava paine tuotetaan tyypillisesti erillisellä pumpulla ja venttiilin avautuessa m ikrosu Utti mesta suihkuaa nestettä niin kauan, kuin venttiili on ohjattuna. Saman venttiilin kautta voidaan syöttää paine useampaan suuttimeen, jotka pinnoitussovelluksessa on tyypillisesti 10 asennettu riviin.

Kuviossa 2 on esitetty kaavamaisesti eräitä keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettäviä linssiaihioita sivustapäin ja päältäpäin.

Työkappale eli linssi tai linssiaihio käsittää pidikkeen 10, joka voi olla integroitu optisen alueen 7 kanssa, toisin sanoen pidike ja optinen alue 7 15 ovat saumattomasti kiinnitetty toisiinsa ja valmistettu samasta materiaalista. Ensimmäinen pidikkeen 10 suoritusmuoto on tasomainen uloke, jonka ulommaisen reuna on optisen alueen halkaisijasta r riippumatta aina vakio.

Kuvion 2 vasemmanpuoleisessa linssissä tai linssiaihiossa on esitetty kaksi muuta vaihtoehtoa sovittaa vakioitu pidike 10 linssiaihioon. Pidike 20 10 voi olla optiselle alueelle 7 sovitettu alue, joka on aina vakio riippumatta optisen alueen 7 koosta tai muodosta. Mainittu alue on sovitettu optisen alueen hyötyalueen ulkopuolelle. Hyötyalue on se osa linssiä tai linssiaihiota joka hiotaan pois kun lopullista linssiä muotoillaan sopivaksi kehykseen. Mikäli linssi tai linssiaihio pinnoitetaan mikrosuihkutuslaitteella, voidaan laite ohjelmoida 25 jättämään ko. alue pinnoittamatta.

Pidikkeeseen voidaan sovittaa informaatiota, jonka avulla linssi tai 5 linssiaihio voidaan identifioida.

(M

^ Kuvioissa 3a ja 3b on esitetty kaavamaisesti eräitä keksinnön mu- ^ kaisen menetelmän vaiheita sivustapäin. Optista työkappaletta 14 pinnoitetaan ° 30 mikrosuihkutusmenetelmään perustuvalla tulostimella 13. Menetelmässä työ- £ kappale 14 pinnoitetaan ensin ensimmäiseltä puoleltaan 15, mitä on kuvattu kuviossa 3a. Tämän jälkeen työkappale 14 käännetään 180°, ja pinnoitetaan

O

[£ sen toinen puoli 16, mitä on kuvattu kuviossa 3b. Kääntö tehdään edullisesti o automatisoidulla mekanismilla, kuten tarttujalla 18, joka on kiinnittynyt työkap- 35 paleeseen 14 kuuluvan vakiopinnan 10 muodostavaan ulokkeeseen. Tuote-kappaleen 14 kääntöjä voidaan tehdä mikä tahansa määrä.

8

Ensimmäisen puolen 15 pinnoite voi olla sama kuin toisen puolen 16 pinnoite. Pinnoitusaineen parametreja voidaan muuttaa sen mukaan miten paljon pinnoitusainetta 17 tarvitaan millekin puolelle työkappaletta. Saman pinnan eri kohdat voidaan pinnoittaa erilaisella määrällä pinnoitusainetta, tai ko-5 konaan eri pinnoitusaineella. Samoin ensimmäiselle puolelle 15 voidaan pinnoittaa erilaisia pinnoitekerroksia kun toiselle puolelle 16.

Kuviossa 4 on esitetty kaavamaisesti eräs keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettu optinen tuote eri rakennekerrokset erillään ja sivusta-päin. Optinen tuote käsittää työkappaleen 19, joka on valmistettu sopivasta 10 muovimateriaalista. Työkappale 19 on pinnoitettu selektiivisesti siten, että sen ulkopinnalle on järjestetty fotokromaattisen funktion sisältävä kovapinnoite 20, kun taas sisäpinnalle on järjestetty IR- ja/tai UV-estofunktion käsittävä kova-pinnoite 21, joka estofunktio on toteutettu ITO, ATO tai jollakin muulla sopivalla ja sinänsä tunnetulla oksidilla. IR- ja/tai UV-estofunktio voidaan myös toteut-15 taa käyttämällä sopiva monomeerejä. Monet molekyylit absorboivat infrapuna-alueen valoa, jonka aallonpituus on välillä 800-1400 nm. Tätä ominaisuutta hyödynnetään tunnetusti kemiallisissa analyyseissä IR-spektrometriä käyttäen. Näitä molekyylejä voidaan lisätä pinnoitteisiin ilman, että se haittaa polymeri-saatioprosessia tai ilman, että se haittaa näkyvän valon kulkua. Periaatteessa 20 tällaisia molekyylejä on kahta tyyppiä; orgaanisia ja epäorgaanisia. Epäorgaanisiin IR-säteilyä absorboivia molekyylejä ovat muun muassa useat seostetut metallioksidit, sulfidit ja selenidit. Näiden toimintamekanismi perustuu elektronien siirtymään. Kun IR-säteily joutuu kosketuksiin kyseisen kaltaisen molekyylin kanssa, aallonpituus, joka vastaa kyseistä energiatasoeroa absorboituu 25 ja vapautuu hitaasti. Tällä alueella yleisin aine on ITO (Indium Tin Oxide). Kun tällainen materiaali sovitetaan orgaaniseen materiaaliin tai komposiittimateriaa-5 liin, on yksittäisen partikkelin oltava nanoluokkaa, edullisesti enintään noin 20

(M

Λ nm- ^ Orgaaniset IR-säteilyä absorboivat materiaalit ovat tyypillisesti isoja ° 30 molekyylejä, jotka ovat cis-trans-isomeerisia, eli joissa kaksoissidos voi kiertyä £ ympäri kahteen eri asentoon. Tämä isomerisaatiomekanismi voi myös aktivoi- tua energiasta, joka tule fotoneista IR-alueelta. Aivan kuten epäorgaanisissakin

O

[£ molekyyleissä, tuo energia vapautuu hitaasti ja molekyyli palautuu alkuperäi- o seen asentoon. Tässä kategoriassa eniten käytetty molekyyli on phytochromo- ^ 35 bilin: 9 rl1

VN

Phytochromobilinia esiintyy luonnossa joissakin kasveissa, joissa se auttaa niitä sopeutumaan auringonvaloon. Phytochromobilin kuuluu tetrapyrro-5 le perheeseen.

IR- ja/tai UV-estofunktion toteuttavat lisäaineet voidaan myös sovittaa mahdolliseen primer-kerrokseen eli adheesiokerrokseen, jonka ensisijainen tarkoitus on parantaa pinnoitteen ja pinnoitettavan substraatin välistä tarttuvuutta. Myös väriaineita ja pigmenttejä voidaan sijoittaa adheesiokerrokseen. 10 Fotokromaattinen funktio voidaan sijoittaa adheesiokerrokseen, kovapinnoitus-lakkaan tai ulkopinnalle sovitettaviin Sol-Gel pintoihin. Fotokromaattisen funktion aikaansaavia molekyylejä on orgaanisia ja epäorgaanisia. Epäorgaaninen molekyyli on fotokromaattisten linssien historiallinen perusta. Se perustuu ho-peahalidien kykyyn absorboida fotoneja UV-alueella ja muuttua melko vakaak-15 si radikaaliksi Ag*, joka absorboi lähes koko näkyvän valon spektrin. Tämän kaupallisti aikoinaan Corning mineraalilinsseissään kauppanimellä ‘Photogray’. Tätä ikuisesti toimivaa ilmiötä ei kuitenkaan ole ollut mahdollista toteuttaa muovilinsseissä, koska käytetyt molekyylit eivät ole yhteensopivia orgaanisen perusaineen kanssa. Siksi vain nanokokoinen materiaali voisi olla mahdollinen, 20 jotta linssin halkeilu saataisiin estettyä. Yllättäen vain hopeametallisia nanopar-tikkeleita on saatu syntetisoitua. Siksi on keksittävä uusia keinoja, jotta saadaan valmistettua AgCI-, AgBr- tai Agl-nanopartikkeleja. Niin kauan, kun tätä ei 5 pystytä tekemään, ei ole tiedossa keinoa valmistaa ikuisesti toimivaa fotokro-

(M

maattista muovilinssiä.

^ 25 Orgaaniset molekyyli toimivat eri tavoin. Ne ovat tasomaisia ja ° kookkaita. UV-valossa ne kiertyvät ja saavat kolmidimensionaalisen muodon.

£ Ne voivat jopa avautua rengasmuodosta aukinaiseksi. Lopputuloksena mole- is. kyylit siis muuttuvat värittömistä värillisiksi. Tämä on esitetty kuvasarjassa:

LO

LO

o o

CM

10

Closed Ferns Ops® tom Π (Co loi I'less.) (Co loosed) Tämän molekyylin englanninkielinen nimi on naphtopyrane. Kuitenkin tämä ilmiö ei ole ikuisesti palautuva toisin kuin hopeahalidit. Molekyyli ei 5 jaksa kiertyä loputtomasti vaan se väsyy ajan myötä. Molekyylin aktiivista toimintaa ei ole mahdollista palauttaa. Näillä molekyyleillä on mahdollista aikaansaada mikä tahansa väri fotokromaattisilla väriaineilla.

Kuviossa 5 on esitetty kaavamaisesti eräs toinen keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettu optinen tuote eri rakennekerrokset erillään ja 10 sivustapäin. Optinen tuote on tyypillinen silmälasin linssi, johon on sijoitettu pinnoitteet, jotka ovat useimmiten merkityksellisiä sen toiminnoille.

Ensin muovisen linssin 19 ulkopinnalle ja sisäpinnalle on sijoitettu kovapinnoite 20, 21, mikä tyypillisesti on lakka esim. siloksaani, akrylaatti, uretaani tms. ja edullisesti nanofilleroituna, missä nanofilleri, joka on kooltaan 5 -15 50 nm on edullisimmin oksidi, kuten S1O2, Zr02, AI2O3 tai keraami tai timantti.

Tällaisen lakkakerroksen paksuus on tyypillisesti 3 - 8 pm ja on edullista uuden järjestelmän kannalta, että ko. lakka olisi UV-, IR- tai mikroaaltokovettei-nen.

Seuraavaksi on sijoitettu AR-pinnat 23 ja 24 lakkapintojen 20 ja 21 20 päälle. Kysymyksessä voi olla yksi tai useampi kerros pinnoitus, joka perustuu

Sol-Gel-prosessiin. Eri Sol-Gel pintojen 23 ja 24 paksuus vaihtelee 20 nm ja ° 200 nm välillä, riippuen kerrosrakenteesta ja käytettävistä aineista.

cjj Edellisten pintojen päälle sijoitetaan vielä antifobinen kovapinta 25 n ja 26, joka myös perustuu Sol-Gel-prosessiin.

o x 25 Kuviossa 6 on esitetty eräs kastomenetelmä. Robotti 27 suorittaa * kastopinnoitustyöprosessit a, b, c ja d. Kyseessä voi olla myös mikä tahansa manipulaattori, mutta edullisinta järjestelmälle on se, että tuotteessa on vakio-

LO

[Λ alue 10 (kuviossa 2), mihin voidaan tarttua automaattisessa työprosessissa, o kuten kuvan 6 kastopinnoitusprosessissa a - d.

30 Vaiheessa a) robotin 27 tarttuja on tarttunut linssiin 28 ja siirtää sen hallitusti nesteeseen 29. Vaiheessa b) robotti 27 pitää työkappaleen 30 nes- 11 teessä 29 ennalta suunnitellun ajan, mikä voi myös tarkoittaa että enemmän kuin yhden nostokerran. Vaiheessa c) robotti 27 nostaa linssin ylös nesteestä 29. Vaiheessa d) on esitetty, että työkappale tai linssi voidaan kuivata kaasu-atmosfäärissä, kuten ilmassa, ja kääntää vaakatasoon ainakin suuntiin 35 ja 5 36 oman keskiakselinsa 32 ympäri yhden, tai useamman kerran niin, että lins sin pinta vaihtaa suuntaa. Tällä on jossakin tapauksessa suuri merkitys lakan tai Sol-Gel liuoksen tasaisen levityksen aikaan saamiseksi. Tämän jälkeen linssi tai työkappale siirretään pinnoitteen kovettamisprosessiin, joka tyypillisesti on IR-, UV- tai MW-prosessi (Micro Wave).

10 Kuviossa 7 on esitetty kastomenetelmällä valmistettu optinen tuote.

Nähdään, että pinnoitekerroksen paksuus vaihtelee.

Kuviossa 8 on esitetty kaavamaisesti eräs keksinnön mukainen laitteisto ja menetelmä. Laitteistoon on sovitettu kuljetinjärjestelmä, joka voi olla esimerkiksi kuviossa 11 esitetyn kaltainen. Kuljetinjärjestelmä on sovitettu kul-15 kemaan integroidun pinnoitusjärjestelmän läpi, joka käsittää ainakin kuviossa 1 esitetyt toiminnot.

Linssit ja niiden pidikkeet on sijoitettu akselille 50, johon on sijoitettu edullisimmin enemmän kuin yksi linssi vierekkäin. Akseli asetetaan kuljetti-meen 49, joka vie sen ensin lakkausyksikköön 51, joka sisältää korona-20 plasmaetsauslaitteen, piezo-lakkauslaitteen ja IR-/UV- tai mikroaaltokovetus-laitteen.

Linssit jatkavat suoraan välitilan 52 kautta Sol-Gel pinnoitusyksik-köön 53, joka sisältää korona-plasmaetsauslaitteen, pietso-pinnoituslaitteen ja IR-/UV- tai mikroaaltokovetuslaitteen. Huomautettakoon, että välitila 52 ei 25 suinkaan ole järjestelmän välttämätön osa. Usein se kuitenkin on edullista sisällyttää järjestelmään, koska siihen voidaan sovittaa välineet edellisen vai-o heen kaasujen tms. poistamiseksi ennen linssien siirtymistä seuraavaan vai-

CVI

^ heeseen. Välitilaan 52 voidaan myös sovittaa välineet liuotinaineiden ainakin ^ osittaiseksi haihduttamiseksi ja/tai pinnoitteiden osittaiseksi kovettamiseksi.

° 30 Välitila 52 voidaan sovittaa kaikkien peräkkäisten vaiheiden väliin. Välitilan 52 £ pituus riippuu esimerkiksi kuljetinjärjestelmän nopeudesta ja se voi olla esi- merkiksi 0,5-5 m pitkä, o [£ Kuljetin 49 vie tuotteet ulos pinnoitusjärjestelmän toisesta päästä, o missä akseli 50 linsseineen poistetaan kuljetinjärjestelmästä.

(M

12

Kaikki olennaiset pinnoitukset suoritetaan tässä integroidussa lakkaus ja Sol-Gel-pinnoitusjärjestelmässä, missä kuljetin 49 kuljettaa pinnoitettavat tuotteet samalla kertaa kaikkien pinnoitusprosessien läpi katkeamatta.

Erikokoiset ja -muotoiset työkappaleet ja linssit on sijoitettu määrät-5 tyyn pidikkeeseen siten, että kaikki eri työprosessit voidaan suorittaa täysin automaattisesti, edullisimmin digitaalisesti kontrolloituna työprosessina.

Kuviossa 9 on esitetty kaavamaisesti eräs keksinnön mukainen laitteisto ja menetelmä. Esitetyssä menetelmässä käsiteltävä työkappale 14 on silmälasien linssi, mutta on selvää, että esitetty menetelmä sopii muidenkin 10 optisten työkappaleiden käsittelyyn. Työkappale 14 pinnoitetaan kolmella pinnoitteella.

Ensimmäinen menetelmävaihe on työkappaleen ultraäänipesu, mitä vaihetta ei ole esitetty kuviossa. Ultraäänipesun aikana työkappale 14 on edullisesti olennaisesti pystysuorassa asennossa. Ultraäänipesun jälkeen työkap-15 pale 14 viedään koronaplasmakäsittelyyn 62, jossa käsitellään työkappaleen 14 molemmat puolet. Eräässä toisessa menetelmän suoritusmuodossa käsitellään ainoastaan työkappaleen 14 yksi puoli eli pinta. Työkappale 14 on kiinnitetty pidikkeeseen 60, joka puolestaan on edullisesti sovitettu automaattisesti toimivaan kääntömekanismiin.

20 Seuraavassa menetelmävaiheessa työkappale 14 pinnoitetaan tar- tuntapinnoitteella, jonka muodostava materiaali 64 suihkutetaan mikrosuihkutu-lostimilla 65 ja 66. Materiaali 64 on esimerkiksi uretaanipohjaista pinnoi-tusainetta. Pinnoituksen aikana työkappale 14 on olennaisesti vaakasuorassa asennossa. Ensin pinnoitetaan työkappaleen ensimmäinen puoli 15ensimmäi-25 sellä mikrosuihkutulostimella 65, minkä jälkeen työkappale 14 käännetään ympäri ja pinnoitetaan työkappaleen toinen puoli 16 toisella mikrosuihkutulosti- 5 mella 66. Tartuntapinnoitteen paksuus on esimerkiksi noin 1-3 pm. Työkappa-

(M

^ le 14 liikkuu koko ajan ja katkeamattomalla liikkeellä nuolen 61 osoittamaan ^ suuntaan niin pinnoitusten aikana kuin niiden välilläkin.

° 30 Seuraavassa menetelmävaiheessa tartuntapinnoite väli kovetetaan £ UV-säteilyllä 68 tai esimerkiksi mikroaaltosäteilyllä. Väli kovetu ksessa tartunta- pinnoitetta ei koveteta lopulliseen kovuuteensa vaan esimerkiksi 50 % kove-

O

[£ tusasteeseen.

§ Seuraavaksi työkappale 14 siirtyy toiseen pinnoitusvaiheeseen, jota ^ 35 on kuvattu viitenumerolla 72. Tässä työkappale 14 pinnoitetaan, so. pinnoite taan tartuntapinnoitteen päälle, toisella pinnoitemateriaalilla 67. Ensin pinnoi- 13 tetaan ensimmäinen puoli 15, minkä jälkeen työkappale 14 käännetään ympäri ja pinnoitetaan toinen puoli 16. Pinnoitus tehdään kolmannella ja neljännellä mikrosuihkutulostimella 69 ja 70. Toinen pinnoite on useimmiten kovapinnoite. Sen paksuus voi olla esimerkiksi 5-10 pm. Kovapinnoitteen tavoite on tuottaa 5 orgaanisen linssin pintaan naarmuuntumaton kerros ja luoda yhteensopivuus AR-pinnoitteelle ’matkimalla’ mineraalilasista pintaa. Usein, mutta ei välttämättä aina, kovapinnoitteessa on viisi komponenttia: 1. Adheesiota edistävä kova silaanimonomeeri (esim GLYMO), 2. kova silaanimonomeeri (esim. TEOS: Si(OC2H5)4), 10 3. ol-Gel nanopartikkelit (esim. Al203), 4. liuotin (esim. Methoxy-propanol), ja 5. pinnan tasaisuutta parantava aine (esim. Byk 340).

On olemassa optimaalinen piste, jossa paras adheesio ja kovuus saavutetaan samanaikaisesti. Tämä on erityisen kriittinen asia, mikäli pinnoitet-15 tava materiaali on esim. polykarbonaattia (PC). Kun haetaan maksimaalista kovuutta ja adheesiota, voidaan optimaalinen piste saavuttaa useimmiten vain primer-kerroksen eli tartuntakerroksen avulla. Primerit ovat aineita, joilla saadaan adheesiota edistävä kerros orgaanisen aineen pintaan. Niitä voidaan myös kutsua lakoiksi, joilla on maksimiadheesio, mutta ei maksimikovuutta. 20 Pääosin ne kuuluvat polyuretaaniryhmään. Primeriin voidaan sekoittaa erilaisia toiminnallisia ainesosia.

Kolmannessa pinnoitusvaiheessa 73 työkappale 14 pinnoitetaan molemmin puolin materiaalilla 78, joka muodostaa heijastuksenestopinnoit-teen. Edellisessä pinnoitusvaiheessa tehty kovapinnoite voidaan kovettaa osit-25 tain ennen materiaalin 78 annostelua työkappaleelle 14. Heijastuksenestopin-noitteeseen on edullisesti sisällytetty myös antifobinen toiminto. Työkappaletta 5 14 käännetään jälleen 180° sen jälkeen kun työkappaleen ensimmäinen puoli

(M

^ 15 on saatu pinnoitettua. Materiaali 78 annostellaan viidennellä ja kuudennella ° mikrosuihkutulostimella 71 ja 74.

CO

° 30 Seuraavaksi työkappale 14, käsittäen siis edellisissä vaiheissa val- | mistetut pinnoitteet, viedään Sol-Gel-pinnoitusprosessiin 75. Tässä työkappa- leelle 14 muodostetaan ulommainen pinnoite Sol-Gel-menetelmällä. Sol-Gel-o [g liuos voidaan annostella mikrosuihkutulostimilla, joita ei ole esitetty kuvioissa, o Sol-Gel-pinnoituksessa valmistetaan epäorgaaninen, osittain epäorgaaninen ja ^ 35 osittain orgaaninen, tai orgaaninen pinnoite. Eräs orgaaninen pinnoite, joka 14 tässä yhteydessä voidaan mainita, on fluoratusta polymeeristä valmistettu pinnoite. Sol-Gel-pinnoitteen paksuus voi olla esimerkiksi noin 120 nm.

Kaikkien pinnoitteiden tultua sovitetuksi työkappaleelle 14, suoritetaan pinnoitteiden kovetus niiden lopulliseen kovuuteensa. Kovetuksen aikana 5 työkappaletta 14 voidaan kääntää asennosta toiseen.

Kuviossa 10 on esitetty kaavamaisesti eräs keksinnön mukainen menetelmä sen eräiden vaiheiden osalta.

Eri työprosessit suoritetaan molemmille puolille linssiä: sen kuperalle 78 ja koveralle 80 puolelle. Pinnoitus suoritetaan olennaisesti vaakatasossa 10 olevaan linssiin, koska muutoin on hyvin vaikeaa aikaansaada homogeenista tarkkaa pinnanpaksuutta ja estetään hallitsematon pinnoitteen valuminen, kun se on vielä märkä. Plasmakoronaetsauksessa taas on edullista, mikäli linssi on vertikaaliasennossa.

Linssiä voidaan kääntää ja pitää missä tahansa asennossa kaikissa 15 eri työprosesseissa. Kuva 10 esittää juuri tätä funktiota, missä linssi on eri asennoissa 78, 80 ja 83 siten, että haluttu työprosessi voidaan suorittaa optimaalisissa olosuhteissa.

Itse lakan tai Sol-Gel-liuoksen pinnoitus tapahtuu edullisimmin ruiskuttamalla ylhäältä päin 79 ja 81 vaakatasossa olevaan linssiin 78, 80.

20 Linssiä 78, 80 ja 83 voidaan kääntää 180°, 90° tai mihin kulmaan tahansa, koska linssi on sijoitettu pidikkeeseen, joka taas on yhteensopiva kul-jettimeen, joka vie sen kaikkien eri työprosessien läpi. Täten linssin koolla ja ulkomuodolla ei ole mitään merkitystä.

Kuviossa 11 on esitetty kaavamaisesti keksinnön erään suoritus-25 muodon mukaisen laitteiston eräitä osia. Linssejä 87 voidaan edullisesti sijoittaa enemmän kuin yksi kappale vierekkäin yhdelle ja samalle akselille. Tämän o jälkeen akseli, mihin on kiinnitetty kiinnittimet 86 voidaan asettaa 90 kuljetinjär- ^ jestelmään 85, joka liikkuu ennalta määrättyä nopeutta, esim. 88 vasemmalta ^ oikealle 89. Kuljetinjärjestelmä 85 vie linssit 87 kaikkien eri työprosessien läpi, ° 30 edullisesti niin, että linssit 87 on käännettävissä mihin tahansa asentoon.

£ Kiinnittimet 86 voi sisältää tunnistekoodin aivan, kuten itse akseli, n. mihin on sijoitettu useampi linssi 87 ja kiinnitin 86, joten jokainen erillinen tuote

O

[£ on tunnistettavissa missä tahansa työprosessien aikana tai sen jälkeen, o Kuviossa 12 on esitetty kaavamaisesti keksinnön erään suoritus- ^ 35 muodon mukaisen laitteiston toisia osia. Pidikkeiden muoto ja toiminta voi luonnollisesti vaihdella. Esimerkiksi kuviossa 12 esitetty pidike toimii siten, että 15 linssi 95 puristuu kahden tason väliin kiinnittimessä 94, joka voidaan kiinnittää vastakappaleeseen 93, jolle taas on paikka 92 esim. kuljetustangossa 91. Linssiä voidaan liikuttaa, esimerkiksi ±40°, koska kiinnittimen 94 vastakappale 96 on nivelletty.

5 Eräässä toisessa kiinnitinsovelluksessa, joka on esitetty kuviossa 13, linssi 101 on puristettu kahden tason 103 ja 104 väliin linssin päädyistä. Puristustasojen 103 ja 104 on edullista olla osa kuljetintankoa 105. Puristus-tasojen 103 ja 104 välistä etäisyyttä voidaan muuttaa nuolen 102 osoittamalla tavalla. Puristustasot tai -pinnat voidaan järjestää joustaviksi esimerkiksi valio mistamalla ne joustavasta muovista. Eräässä kiinnitinsovelluksessa pidikkeet muodostuvat kuljetintangosta 105 sivulle suuntautuvista ulokkeista, jotka on valmistettu joustavasta muovista ja jotka on muotoiltu pareittain niin, että kahden ulokkeen väliin muodostuu tila linssille 101. Ulokkeiden vastinpinta, jota vasten linssi 101 sovitetaan, on muotoiltu kaarevaksi ja siinä on mahdollisesti 15 ura, jotka muodot yhdistettynä ulokkeiden linssiä 101 puristavaan voimaan pitävät linssin 101 varmasti paikoillaan pinnoitusprosessien ajan. Tällaiset pidikkeet voidaan valmistaa esimerkiksi ruiskuvalamalla - edullisesti yhdessä kulje-tintangon 105 kanssa. Kokomuovisen pidikejärjestelmän etuna on, että se ei aiheuta hankaluuksia käytettäessä pinnoitteiden kovettamisessa mikroaaltoko-20 vetusta.

Eräs ongelma on siinä, että mikäli halutaan sijoittaa useita toiminnallisia pinnotteita mainittuihin tuotteisiin, on se erittäin kallista tehdä nykyisin menetelmin. Nykyiset tunnetut menetelmät perustuvat kovapinnoituksen tuottamiseen kastolakkauksen avulla käyttäen esimerkiksi akrylaattisiloxaani- tai 25 uretaanilakkoja. Heijastamattomuus eli AR-funktio on puolestaan saatu aikaan tyhjöhöyrystämällä eri taitekertoimen omaavia oksidikerroksia päällekkäin. Ok-5 sidikerrokset ovat tyypillisesti S1O2, T1O2, Zr02esimerkiksi.

CM

^ Tunnetuissa menetelmissä suoritetaan ensin kemiallinen hitsaus, ^ minkä jälkeen suoritetaan kastolakkaus ja työkappale ilmakuivataan ja kovete- 0 30 taan. Tyhjöhöyrystys puolestaan tehdään täysin erillisessä laitteessa, joka on £ panostoiminen.

1^. Eräs ongelma on se, että kastolakkauksessa pinnan paksuuserot

O

[£ ovat huomattavat, tyypillisesti jopa 100 % tai yli. Lisäksi kastolakkauksessa ei o ole mahdollista tai on erittäin vaikeaa tuottaa yli 6 pm paksuisia kerroksia. Sa- ^ 35 moin erittäin ohuita, alle 0,8 pm lakkakerroksia on erittäin vaikea ellei peräti mahdotonta tuottaa kastolakkauksella.

16

Esimerkiksi fotokromaattinen funktio on mahdotonta sijoittaa lakkaan, koska se edellyttää alle ± 5%:n paksuustoleranssia. Samoin linssin värjäys lakan avulla on poissuljettua, koska sekin edellyttää erittäin tasapaksuista pintaa. Kastolakkauksessa aiheutuvat lakan paksuuserot aiheuttavat myös 5 sellaista ongelmaa, että lakka ylikovettuu ohuissa paikoissa ja vastaavasti ali-kovettuu paksuissa lakkakerroksissa.

Kuviossa 14 on esitetty kaavamaisesti oskilloiva mikrosuihkutulostin pinnoittamassa substraattia. Suutinyksikkö 120 oskilloi X-suuntaisesti eli substraatin etenemissuunnan suhteen poikittaisessa suunnassa edullisesti ainakin 10 ± 0,01 - 2,0 mm, eli ainakin kahden suuttimen välisen matkan. Tällöin lakka- pisarat 122 eivät asetu pelkästään X-suuntaisesti horisontaalisesti päällekkäin (osittain tai kokonaan), vaan myös Y-suuntaisesti, eli vertikaalisesti päällekkäin. Tämä on esitetty tarkemmin kuviossa 15.

Kuviossa 15 on esitetty kaavamaisesti kuvion 14 mikrosuihkutulos-15 timella valmistettua pinnoitustulosta päältäpäin. Oskillointi X-suunnassa yhdistettynä Y-liikkeeseen, joka on tuotteen liikerata, esim. 2 m/min, vaikuttaa tuotettuun pinnoitteen morfologiseen pinnan tasaisuuteen aivan yhtälailla, kuin pinnan tasaisuuteen yleisestikin.

Ensimmäisen pisaran 122a (Sol-Gel, lakka tai mikä tahansa aine) 20 jälkeen oskilloinnista ja liikkeestä johtuen seuraava pisara 122b asettuu hiukan sivummalle ja peittää osittain edellisen pisaran 122a. Kun taas seuraava pisara 122c sijoitetaan tähän joukkoon, niin se peittää sekä pisaran 122b että pisaran 122c osittain jne. X-suuntaisen siirtymän aikana voidaan suuttimesta annostella yksi tai usea pisara substraatille. Kuviossa 15 esitetyssä suoritusmuodossa 25 annostellaan yksi pisara suuntaansa.

Eräässä keksinnön suoritusmuodossa suutinyksikön 120 oskillointi 5 voidaan lopettaa halutuksi ajaksi, minkä jälkeen oskillointia voidaan taas jat-

(M

^ kaa. Tarvittaessa koko substraatti voidaan pinnoittaa oskilloimattomalla suu- ° tinyksiköllä 120. Oskillointia, sen laajuutta ja/tai taajuutta voidaan edullisesti ° 30 säätää ja ohjata digitaalisin ohjausvälinein, jotka ovat sinänsä tunnettuja. Täl- | löin voidaan valmistaa samalla sekä erittäin tasaista ja optisesti laadukasta i^. pintaa että rajata tarkasti pinnoitettava alue.

o [£ Mikrosuihkutustulostimen avulla voidaan valmistaa pinnoitteita, jois- o ta esimerkkeinä kova-, IR-esto-, UV-estopinnoitteet, AR-pinnoitteet, Antifobiset ^ 35 pinnoitteet ja muut funktionaaliset pinnoitteet, joissa pinnoitteelta vaadittu pak- suusvaihtelu on pieni ja morfologinen pinnantasaisuus on oltava hyvä.

17

Sol-Gel-pinnoitteilla levitettynä mikrosuihkutustulostimella voidaan tuottaa erittäin tehokkaita AR-pintoja, koska voidaan saavuttaa pinnan paksuudessa paksuustoleranssia ±1,25 %.

Samoin keksinnön mukaisella mikrosuihkutustulostimella voidaan 5 levittää ongelmitta paksumpia pinnoitteita, esim. 3 - 30 pm lakkapinnoitteita, vaikka ne sisältäisivät nanofillereitä, kuten optiset lakkatuotteet aina sisältävät. Tämäkin on mahdotonta saavuttaa tunnetuilla mustesuihkutulostinratkaisuilla, koska nanofillerit, kuten T1O2, Zr02, AI2O3, Ta05, S1O2, yleensä oksidit tai keraamiset nanofillerit pakkautuvat juuri siihen paikkaan, mihin tulostimen suutti-10 met ne sijoittavat. Tässäkään ei auta ohenteen määrän lisääminen, koska silloin pinnoitusaineen viskositeetti menee niin alas, että syntyy valumia, jotka eivät ole kontrolloitavissa. Pinnoitusalueen valuma taas merkitsee sitä, että pinnanpaksuus ei ole vakio, jolloin sillä ei ole käyttöä ainakaan optisia tai funktionaalisia pinnoitteita tehtäessä.

15 Optimaalinen pinnoiteaineen viskositeetti on 9-20 cPs kun pinnoi tusaineen lämpötila on 20 °C - 30 °C. Itse pinnoitusaineen viskositeetti voi olla korkeampi, esimerkiksi 30 cPs 20 °C lämpötilassa, mutta tulostinpää voidaan varustaa lämmityselementillä, jolla viskositeetti saadaan laskettua optimaaliselle 9 - 15 cPs tasolle aineen saavuttaessa suihkutussuuttimen. Tällöin pinnoi-20 tusaineen liuotinpitoisuus voi olla huomattavasti alhaisempi ja silti aikaansaadaan suuttimen vaatima viskositeettitaso.

Kuviossa 16 on esitetty kaavamaisesti keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen laitteiston osa päältäpäin. Viisi optista työkappaletta 124, 125, 126, 127, 128 on ruiskuvalettu viskoosimaisesta materiaalista kuten muo-25 vista. Muovi voi olla esimerkiksi polyamidia, esimerkiksi PA12, polykarbonaat-tia, polymetyylimetakrylaattia, polyolefiinia tai muuta vastaavaa. Työkappaleet o 124 - 128 on ruiskuvalettu samanaikaisesti useampipesäisessä muotissa. Ky-

CVI

^ seinen muotti käsittää myös jakokanavan, johon on muodostunut jakokanavan ^ jööti 123. Tämä on sinänsä tunnetulla tavalla kiinni työkappaleessa 124 - 128.

0 30 Nyt jakokanavaa on muotoiltu siten, että sen muodostamaa jöötiä 123 voidaan £ käyttää kantavana palkkina tai tankona, mikä muodostaa osan laitteiston kulje- tinjärjestelmästä. Tämän avulla työkappaleet saadaan kiinnitettyä kuljetinjärjes-

O

£ telmään ja voidaan korvata erilliset kuviossa 11, 12 ja 13 esitetyt akselit ja kul- o jetustangot. Huomautettakoon, että jöötiin 123 integroitujen työkappaleiden ^ 35 124- 128 lukumäärä voi luonnollisesti olla muukin kuin viisi. Työkappaleet irro tetaan jöötistä 123 kun tarvittavat pinnoittamisvaiheet on tehty.

18

Yleisellä tasolla voidaan todeta, että eräs tavoite on aikaansaada mahdollisimman kova pinta viskoosimaiseen aineeseen, kuten muoviin, mutta silti niin, että muovin hyvät ominaisuudet säilyisivät, esimerkiksi iskunkestä-vyys, helppo ja yksinkertainen muokattavuus, lisätoimintojen sisällyttäminen 5 jne. Yksinkertaistettuna voidaan sanoa, että halutaan aikaansaada esimerkiksi lasin kovuus ja muovin iskunkestävyys samanaikaisesti.

Muovi ei sinänsä voi itsenäisesti olla yhtä kova kuin lasi, esim. Bk7 tai kvartsilasi. On tunnettua, että juuri muovin pinnankovuuden muuttamiseksi kovemmaksi se kovapinnoitetaan esimerkiksi akrylaatti-, siloksaani- tai epoksi-10 pohjaisilla pinnoitteilla, joita yleisesti kutsutaan lakoiksi. Pinnoitusmenetelmänä voi olla esimerkiksi kasto-, ilmaruisku- tai spin-coat-lakkausmenetelmillä tai ennestään tuntemattomat digitaalisesti ohjatut mikrosuihkumenetelmät.

Mikäli tavoite on valmistaa hyvin kova pinta, eli esim. kvartsi mainen, mutta säilyttää silti muovin erinomaiset ominaisuudet, on myös vaikutettava 15 itse muovin kovuusominaisuuksiin. Riippumatta siitä, miten kova työkappaleen päälle sijoitettava pinnoite on, ei pinnoite voi olla niin paksu, että yksinomaan sen ominaisuuksilla saavutettaisiin lasia vastaava pintakovuus, kun pintaan kohdistetaan rasitus. Syy on se, että muovin ja pinnoitteen lämpölaajenemis-kertoimet ovat niin erilaisia, että liian paksu pinnoite yksinkertaisesti kuoriutuu 20 irti. Mikäli kovapinnoite, esim. siloksaanilakka on sijoitettu suoraan muovin päälle, on tyypillinen maksimipaksuus noin 6 pm. Mikäli taas käytetään primer-välipinnoitusta, esim. uretaani-, polyuretaani-, epoksi-, siloksaani- tai muuta vastaavaa primer-pinnoitetta, voidaan kovapinnoitteen paksuus nostaa yli 10 pm:iin, esim. 20 pm:iin. Tyypillinen kastolakkauksella tuotettu pinta on maksi-25 missään 4 pm paksu. Mutta vaikka pinnoite sinänsä olisi erittäin kova ja sen paksuus olisi esim. 25 pm, joka on jo erittäin paksu pinnoite, niin tällaisena-5 kaan pinnoite ei tee pinnasta lasimaista pinnan kovuuden suhteen, kun siihen

CV

^ kohdistuu rasitus. Syynä on se, että pohjamateriaali eli muovi on pehmeää.

^ Tästä syystä pinnoite pettää rasituksen alla. Ainoastaan vaikuttamalla myös ° 30 muovin kovuusominaisuuksiin voidaan saada kokonaisvaltainen ratkaisu, mis- | sä yhdistyy lasin ja muovin hyvät tavoitellut ominaisuudet.

i— Itse muovin polymeerirakenteeseen voidaan luonnollisesti vaikuttaa, o [g mutta se ei tuo tarvittavaa lisäarvoa, vaan kovuuteen vaikutetaan primäärisesti o määrätyillä täyteaineilla, jotka on sijoitettu muoviraaka-aineeseen. On sinänsä ^ 35 tunnettua sijoittaa epäorgaanisia täyteaineita orgaaniseen viskoosimaiseen aineeseen, kuten muoviin ja lakkoihin. Esimerkiksi muoviin on sekoitettu lasi- 19 kuitua ja lasitäytettä kautta aikojen. Sannoin lakkoihin on sijoitettu kvartsi- eli lasi-nanopartikkeleita suuremman kovuuden aikaansaamiseksi tai titaanioksi-dipartikkeleita taitekertoimen muuttamiseksi. Ongelmana tässä on se, että kun sijoitetaan nanopartikkeleita, kooltaan esimerkiksi 10-30 nm, joko muoviin tai 5 lakkaan, ne pyrkivät klusteroitumaan eli ne saostuvat epämääräisiksi ryhmiksi yhteen. Lakan ollessa kyseessä voidaan ongelma ratkaista niin, että nanopar-tikkelit, esim. 20 nm S1O2 partikkelit, pinnoitetaan esim. silaanipinnoitteella. Tällä tavoin pinnoitetut nanopartikkelit voidaan sijoittaa suoraan esim. lakkaan. Muovin ollessa kyseessä voi silti olla ongelmana se, että nanopartikkelit eivät 10 jakaudu tasaisesti kuivamuodossa, esimerkiksi granulaattina tai jauheena olevaan muovimateriaaliin.

Nanopartikkelit, olipa ne pinnoitettu tai ei, edullisimmin kuitenkin pinnoitettu, onkin edullisinta sekoittaa muoviraaka-aineeseen nk. märkävai-heessa. Esimerkiksi polykarbonaatin (PC) ja epoksin osalta se tarkoittaisi, että 15 nanopartikkeli sijoitetaan muovin valmistusvaiheessa johonkin sen komponenttiin esimerkkinä BISFENOL-A. Näin on valmistettavissa täysin homogeenisesti seostettu muovilaatu, mikä käsittää nanopartikkeleita. Tällaisesta muovilaadusta valmistettu työkappale voidaan päällystää pinnoitteella, jossa on täysin homogeenisesti jakautunut nanopartikkelimassa. Homogeenisuuden ansiosta 20 pinnoitteen kerrospaksuus on tarkka ja se voi olla paksuudeltaan yli 5 pm, edullisimmin yli 10 pm. Mikrosuihkutusmenetelmän avulla saadaan optimaalinen pinnanpaksuus, missä paksuustoleranssi koko pinnan osalta on pienempi, kuin ±5 %, edullisimmin alle ±1 %.

Täyteaine voi oksidien lisäksi olla CNT (Carbon Nano Tube), eli hii-25 linanoputkia tai Fulleriineja esim. C60, jotka edullisimmassa muodossaan ovat pinoitettuja klusteroitumisen estämiseksi. On edullista mikäli itse muovi, jota o pinnoitetaan, ja pinnoiteaine sisältävät samaa nanofillerimateriaalia. Tällöin

CM

^ saadaan edullisesti aikaan kovalenttisia sidoksia kappaleen ja pinnoitteen välil- ° le prosessin aikana. Eräs menetelmän mukainen sovellus on se, että muoviin

CO

0 30 on lisätty nanofillereitä, lakkaan on sijoitettu nanofillereitä, ja että siitä valmisteli tun pinnoitteen paksuus on yli 5 pm, edullisimmin yli 10 pm ja paksuustole- ranssi on pienempi kuin ±5 %, edullisimmin alle ±1 %, ja vielä että lakan tai

O

[g Sol-Gel-pinnoitteen levitystapa on mikrosuihkutusmenetelmä.

1^.

o Kuviossa 17 on esitetty kaavamaisesti eräs keksinnön mukainen ^ 35 menetelmä ja siinä käytettävää laitteistoa. Pinnoitusaine muodostetaan kah desta komponentista A ja B. Pinnoitusaine voi olla esimerkiksi lakkaa tai soi- 20 gel-materiaalia. Pinnoitusaineen eri komponentteja pidetään tässä erillään mahdollisimman pitkään ennen pinnoitusta. Pinnoitusaine voi olla esimerkiksi kaksikomponenttinen uretaani- tai epoksipohjainen lakka. Pinnoitusaineeseen, joko komponenttiin A tai B tai niihin molempiin voidaan sekoittaa nanopartikke-5 leita. Komponentit A ja B ovat erillään omissa säiliöissään 100 ja 102 ja ne yhdistetään vasta sekoitustilassa 105. Pinnoitusaine toimitetaan sekoitustilasta 105 yhteistä kanavaa 106 pitkin mikrosuihkutuslaitteen suihkutuspäähän 107. Joidenkin pinnoitusaineiden työstettävyysaika on hyvin lyhyt, esimerkiksi vain joitakin minuutteja. Tästä syystä on edullista, mikäli etäisyys sekoitustilasta 10 105 itse suihkutuspäähän 107 olisi mahdollisimman lyhyt.

Pinnoitusaineen komponenttien A ja B välistä sekoitussuhdetta voidaan säätää ohjelmallisesti ja esimerkiksi muuttaa vaikka kesken ajon pumppujen 103 ja 104 pumppausnopeuksia säätämällä.

Varsinkin ohuet sol-gel pinnat, jotka tyypillisesti ovat 100 - 300 nm 15 paksuisia edellyttävät sitä, että nanopartikkelit sekoittuvat oikealla tavalla matriisiin. Tällöin nanopartikkelit on tyypillisesti käsitelty siten, että niiden paak-kuuntuminen eli klusteroituminen on minimoitu tai jopa estetty täysin. Nanopartikkelit kuten myös niiden paakkuuntumista estävät aineet voidaan sekoittaa ensin esimerkiksi ohentimeen.

20 Eri komponenttien A ja B säiliöt 100 ja 102 voidaan varustaa läm- mönsäätövälinein ja ne kumpikin voidaan säätää omaan optimilämpötilaansa. Säiliöt 100 ja 102 voivat olla jäähdytettyjä. Komponentit voidaan pitää kylmänä esim. -25 °C lämpötilassa aina suihkutuspäähän 107 asti, joka puolestaan voi olla lämmitetty.

25 Joissain tapauksissa tässä hakemuksessa esitettyjä piirteitä voi- ___ daan käyttää sellaisenaan, muista piirteistä huolimatta. Toisaalta tässä hake- 5 muksessa esitettyjä piirteitä voidaan tarvittaessa yhdistellä erilaisten kombi- ^ naatioiden muodostamiseksi.

^ Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollis- ° 30 tamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patenttiin vaatimusten puitteissa.

i^.

o

LO

LO

i^.

o o

(M

Claims (8)

1. Menetelmä optisen työkappaleen valmistamiseksi, jossa menetelmässä työkappale (14, 19, 30, 124 - 128) pinnoitetaan ainakin yhdeltä puolelta, jossa menetelmässä työkappaleen (14,19, 30, 124 - 128) pintaa käsitel-5 lään adheesiota parantavalla prosessilla, minkä jälkeen pinnalle sovitetaan ensimmäinen pinnoite ja ulommainen pinnoite niin, että tehdään kaikki mene-telmävaiheet adheesiota parantavasta prosessista uloimmaisen pinnoitteen sovittamiseen automaattisessa tuotantoprosessissa, jossa kuljetinjärjestelmä (85) kuljettaa työkappaleet (14, 19, 30, 124 - 128) adheesiota parantavaan 10 prosessiin ja viimein pois uloimmaisen pinnoitteen sovittamisvaiheesta, tunnettu siitä, että integroidaan työkappaleen (14, 19, 30, 124 - 128) optisen alueen kanssa pidike (10, 60), joka on tasomainen uloke ja jonka ulommainen reuna on työkappaleen (14, 19, 30, 124 - 128) optisen alueen halkaisijasta r riippumatta aina vakio.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käännetään työkappaletta (14, 19, 30, 124 - 128) sen ollessa kuljetinjär-jestelmän (85) kuljetettavana.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että levitetään pinnoitteen muodostava aine käyttäen mikrosuihkutulostin- 20 ta (65, 66, 69, 70, 71,74).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikrosuihkutulostin (65, 66, 69, 70, 71, 74) on oskilloiva mikrosuihkutulos-tin.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että pinnoitusprosessit suoritetaan inertissä kaasuatmosfää- rissä.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, (M ^ tunnettu siitä, että ensimmäinen pinnoite on lakkapinnoite ja ulommainen ^ pinnoite Sol-Gel-pinnoite. ° 30

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, £ tunnettu siitä, että kuljetinjärjestelmä (85) kuljettaa työkappaleita (14, 19, 30,124 - 128) katkeamattomalla liikkeellä. o

[£ 8. Laitteisto optisen työkappaleen valmistamiseksi työkappaleesta, l'- § joka laitteisto käsittää välineet työkappaleen (14, 19, 30, 124 - 128) pinnan 0X1 35 käsittelemiseksi adheesiota parantavalla prosessilla, välineet ensimmäisen pinnoitteen sovittamiseksi käsitellylle pinnalle, välineet ulommaisen pinnoitteen sovittamiseksi, ja kuljetinjärjestelmän (85), joka on sovitettu kuljettamaan työ-kappaleet (14, 19, 30, 124 - 128) adheesiota parantavaan prosessiin ja viimein pois uloimmaisen pinnoitteen sovittamisvaiheesta, tunnettu siitä, että mainittu kuljetinjärjestelmä (85) käsittää välineet pidikkeeseen (10, 60) tarttu-5 miseksi, joka pidike (10, 60) on tasomainen uloke, joka on integroitu työkappa-leen (14, 19, 30, 124- 128) optisen alueen kanssa ja jonka ulommainen reuna on työkappaleen (14, 19, 30, 124 - 128) optisen alueen halkaisijasta r riippumatta aina vakio δ (M i (M O CO o X en CL h-· o m m h-· o o (M