(57)【要約】【課題】本発明は、光学部材の射出成形において成形部材の材料依存性収縮及びプロセス依存性収縮を抑制する簡略化されたプロセスを提供することを目的とする。【解決手段】少なくとも２つの割型を備えるモールド型を使用して、透明の熱可塑性ポリマーからなる肉厚で精度の高い部材を製造するに当たり、上記モールド型のキャビティに、熔解されたポリマーを注入し、上記モールド型のキャビティが充填された後、少なくとも１０００バール（１００ＭＰａ）の液圧フォローアップ保圧を加え、熔解物の冷却の間そのような高圧の作用を維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの割型を備えるモールド型を用いて、透明の熱可塑性ポリマーからなる肉厚で精密な部材を製造するための射出成形プロセスであって、
上記モールド型のキャビティに、熔解されたポリマーを注入し、上記モールド型のキャビティが充填された後、少なくとも１０００バール（１００ＭＰａ）の液圧フォローアップ保圧を加え、熔解物の冷却の間そのような高圧の作用を維持することを特徴とする射出成形プロセス。
【請求項２】
室温に達する前に成形部材が取り除かれていない状態において、
モールド内圧が、熱可塑性ポリマーの固化温度に達する時において成形部材の最も大きな壁厚領域で測定され、
保圧段階における射出成形装置の圧力が、次の等積冷却の段階で室温に到達したときの成形部材においてモールド内圧が１バール（０．１ＭＰａ）となるように、調整されることを特徴とする請求項１記載の射出成形プロセス。
【請求項３】
上記透明の熱可塑性ポリマーとして、ポリカーボネート、ポリメタクリルメチルイミド、シクロオレフィンコポリマー若しくはポリアクリレートが使用されることを特徴とする請求項１又は２記載の射出成形プロセス。
【請求項４】
少なくとも２つの割型を含み、上記割型の分離面にメインランナーが配置されたモールド型を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の射出成形プロセス。
【請求項５】
上記射出成形された部材の最も大きな壁厚が少なくとも５ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の射出成形プロセス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のプロセスにより得られる射出成形された光学部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの割型を備えるモールド型を用いて、透明の熱可塑性ポリマーからなる肉厚で精密な部材を製造するためのプラスティック射出成形プロセスであって、上記モールド型のキャビティに、熔解されたポリマーを注入し、上記モールド型のキャビティが充填された後、当該ポリマーを、少なくとも１０００バール（１００ＭＰａ）の液圧フォローアップ保圧に供し、そして熔解物を冷却する間このような高圧の作用を維持することを特徴とするプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのケースでは、肉厚で精密な部材、特に熱可塑性材料からなる精密な光学材料は、射出成形技術の観点から、満足できる形状とすることができない。特に、（肉厚の、即ち、概して４ｍｍ以上の）大きな壁厚を有する、光学的に透明な成形部材を製造すること、及び、これに関連して上記の成形部材の冷却時間が長いことについては、問題がある。さらに、プラスティック材料の挙動及びプロセス条件は、成形された部材の収縮及びこれに関連する光学特性に大きな影響を与える。長い冷却の間に発生する熱可塑性プラスティック射出成形部材の熱による体積収縮は、ゲーティングシステムが短時間で硬化するケースにおいては、保圧による従来の射出成形プロセスでは十分には補填を受けることができない。不完全に補填された収縮により形成された形状の欠陥のため、光学的成形部材、例えばプラスティックレンズにより、欠陥のあるイメージが形成され、それによりとりわけ球面収差が発生する。光学部材の射出成形が、Plastverarbeiter,June 2007, p.32ffに記載されている。
【０００３】
このため、従来の射出成形プロセスでは、高度な光学部材、例えば光学レンズの射出成形において大きな重要性を得ることができなかった。最近複雑な圧縮成形プロセスがこれらの応用分野において支配的なポジションを占めつつある。
【０００４】
これらのプロセスは、対象物の外形の成形が、可動式のホビングパンチによる極めて精密なインジェクションの後しか達成することができないようなシステムに関連する。
【０００５】
射出圧縮成形においては、保圧による従来の収縮に対する補填の代わりに、極めて正確に移動するホビングパンチが略完全に熱による体積収縮を補填する。射出圧縮成形プロセスの特徴的な特性は、装置について非常に高い費用が掛かることである。これは、極めて正確に位置決めできる射出装置、特に電気的な射出成形機械のクローズユニット及びスタンピングユニット、及び非常に複雑な射出成形技術を使用するためである（参照  米国2003-0146526A1"光学レンズの圧縮成形"、EP0968807A1"射出圧縮成形法及び射出圧縮成形装置"、DE10226301B4"プラスティック製品の射出圧縮成形のための装置及びプロセス並びに当該プロセスにより製造された部材"）
【０００６】
光学部材を製造するための射出圧縮成形プロセスの欠点は、装置及びこれに関連するプロセス技術に関して非常に費用が高いことである。さらに別の欠点は、必要とされる保圧時間及びホビング時間が長いことにより位置精度が極めて重要となるため、通常よく使用される電気駆動式射出圧縮成形装置の効率が満足いくものでないことである。
【０００７】
特許出願DE10114228A1には、製造上の大きさに関する許容度を低減させるために、収縮挙動が調整された射出成形プロセスが開示されている。ここでは、ゲートシステムを密閉することにより保圧作用を完全なものとした後、室温まで等温的に降下させ、別の状態へ進展させ、冷却される成形部材を室温以上で１バールのラインに到達させる。そのとき、成形された部材の収縮は、１バールラインに到達した時間における等積冷却後の成形部材の比体積と、室温に到達した時間におけるさらなる等圧冷却後の比体積との差異により規定される。したがって、収縮は、射出成形プロセスの固有の特性である（図２参照）。参照番号２１は、従来の射出成形プロセスである。DE10114228A1では、冷却プロセスの間の熱体積収縮によるこの避けられない収縮を、成形温度を調整することにより再現可能な寸法誤差の範囲に制限することが提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、光学部材の射出成形において成形部材の材料依存性収縮及びプロセス依存性収縮を抑制する簡略化されたプロセスを提供することにある。少なくとも２つの割型を有する射出モールド型を使用することにより、熱可塑性射出成形部材の冷却による熱体積収縮は、略完全に高圧射出成形プロセスにより補填される。そして、特に１バールラインは、室温においてのみ達する（図２参照、参照番号２２は高圧分離面にあたる）。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明は、透明の熱可塑性ポリマーからなる肉厚で精密な部材、特に光学部材、例えばレンズ、ミラー、回折格子若しくはプリズムなどを製造する射出成形プロセスであって、上記モールド型のキャビティに、熔解したポリマーを注入し、モールド型のキャビティが充填された後、少なくとも１０００バール（１００ＭＰａ）の液圧フォローアップ保圧を加え、熔解物の冷却の間当該圧力を維持することを特徴とするプロセスを提供する。
【００１０】
当該プロセスの特徴的な特性は、射出ユニット及びクローズユニットの位置精度に関する要求が低いことである。クオリティーに関する射出成形装置についての決定的に重要な要求は、第１にその大きさ、十分な精度、及び調整された保圧の再現性である。従来の液圧式射出成形装置は、これらの要件を満たす。
【００１１】
好ましいプロセスにおいて、当該液圧フォローアップ保圧は、以下のように調整される。すなわち、成形部材が室温に到達する前に取り除かれていない場合において、内圧は熱可塑性のポリマーの固化温度が達成された時間（図２、参照番号１６）において成形部材の最も大きな壁厚領域において測定され、次の等積冷却（図２、参照番号１７）の段階で、室温（図２、参照番号１４）に到達したときの成形部材においてモールド内圧が１バール（０．１ＭＰａ）となるように調整される。ここでは、固化温度は、例えばポリマーのガラス転位温度、若しくは非流動温度を意味するものと理解される。ｐ−ｖ−Ｔ関数の曲線に対応する残留圧力の存在下高温で成形部材が取り除かれた場合、成形部材を取り除いた後、射出成形モールド型の外で、成形部材は、推定されたｐ−ｖ−Ｔ関数に従って、室温において１バールの圧力に到達する。
【００１２】
プロセスのこの曲線は、上述したように、熱可塑性材料のｐ−ｖ−Ｔ挙動についての知見により、又は保圧値を実験的に段階的に増加させることにより、生成することができる。これにより、必要な保圧時間は、ゲートオープン時間の従来の測定により、若しくはゲートシーリングインデックスを決定することによるプロセスの曲線から事前に決定される（Kunstofftaschenbuch, 27th Edition, Saechtling, Carl Hanser Verlag, Munich, Vienna, p.85, "Verfahren zur Bestimmung des Siegelindesx（ゲートシーリングインデックスを決定する方法（サレブスキーによる））"）。
【００１３】
透明の熱可塑性ポリマーとして、特にポリカーボネート、ポリメタクリルメチルイミド、シクロオレフィンコポリマー、若しくはポリアクリレート、特にポリメチルメタクリレート、及び特に好ましくはポリカーボネートが使用される。
【００１４】
光学部材の精密な製造のため必要な射出圧力は、ｐ−ｖ−Ｔダイアグラムにおけるモールド内圧の曲線により、特に冷却中の成形部材の状態の等積曲線により特徴付けられる。これは、ゲートシーリングから始まって、室温において１バールラインに到達するときまで続く。
【００１５】
射出（図２、参照番号１０）により開始されるゲートチャネルの固化のため、ゲートシーリングまで（図２、参照番号１６）、非常に高い液圧フォローアップ保圧が必要であり（図２、参照番号１５）、当該液圧フォローアップ保圧は、モールド型のキャビティにおけるシーリングポイントにおいて作用する残留応力（図２、参照番号１６）より非常に高い（図２、参照番号１５）。例えば、ポリカーボネートに対する上述の等積プロセスにおいて、熔解物を１５０℃のシーリング温度まで冷却した後、モールド型キャビティにおいて作用している残留圧力を、鋳造システムの厚さ及び長さに依存して増加させなければならない。これは、機械的液圧装置により、８００バールから、熔解物の射出後の圧縮圧力少なくとも１６００バール、一般的に２５００バール以上までなされる（図２、参照番号１５）。ゲーティングシステムの熱体積収縮は、高い圧縮圧力のため、過度に補填される、若しくは過度に負荷が掛けられる。それにより、成形部材のスプルーは、従来のスプルーブッシュ及び／又はメインランナーに詰め込まれる。これらは、機械的ノズルにより充填された射出モールド型の閉じられたチャネルとして設計されている。これらの過度に負荷が掛けられたゲートシステムがモールド型からとにかく取り除くことができるように、好ましい実施の形態においては、高圧精密射出成形におけるゲートポジションは、モールド型の分離面に対して垂直に配置されるのではなく、２つの割型間の分離面内に配置される。このゲートは、円柱状に設計されることが好ましく、このためミドル部分において２つの同一の半体に分離され、それにより最適な抜き勾配（draft）を有する。一方のサイドにおいて開口した、ゲートチャネル、例えば半円柱状に設計されたゲートチャネルが、割型の一方においてのみ存在してもよい。
【００１６】
当該プロセスは、成形部材の最も大きな壁厚が、少なくとも５ｍｍ、好ましくは少なくとも６ｍｍであるケースにおいて用いることが好ましい。
【００１７】
本発明は、また、本発明に係るプロセスにより得られる光学プラスティック成形部材、特にレンズ、ミラー、回折格子、若しくはプリズムを提供する。
【００１８】
当該プロセスの間発生する収縮の完全な補填のための必要とされる保圧は、例えば、ＩＳＯ１１３３により、３００℃／１．２ｋｇで測定してＭＶＲ６０ｇ／１０分を有するポリカーボネートタイプでは、２７００バールである（例えばポリカーボネートタイプとしてはバイエルマテリアルサイエンスＡＧ（ドイツ）のマクロロン１２６５（登録商標））。また、３００℃／１．２ｋｇで測定してＭＶＲ１９ｇ／１０分を有する、より粘着性のあるより大きな分子量のポリカーボネートタイプでは、５０００バールである（例えばポリカーボネートタイプとしてはバイエルマテリアルサイエンスＡＧ（ドイツ）のマクロロン２４０５（登録商標））。そして、３００℃／１．２ｋｇでＭＶＲ１２ｇ／１０分のものでは、７５００バールである（例えばポリカーボネートタイプとしてはバイエルマテリアルサイエンスＡＧ（ドイツ）のマクロロン２６０５（登録商標））。しかしながら、これらの圧力は、市場で入手可能な射出成形装置に適当な付加的な費用を追加することにより発生させることができる。
【００１９】
以下、添付の図面を参照して、具体例を用いて詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施例）
外形精度を有する平凸レンズ若しくは平凹レンズの射出成形
収縮に対する修正をすることなく、複数のキャビティとして設計された割型にレンズの外形を形成する。これらの対照的に配置されたキャビティの一つは、モールド内圧センサーを備える。当該センサーは、最も大きな壁厚を有するレンズポジションに導入している。レンズキャビティの射出成形は、大きな抜き勾配を有し、同様に割型に配置されたコールドランナーを介して実行される。この割型は、射出形成された部材を射出形成プロセスの終盤においてモールド型から取り除くための排出システムを具備する。３０００バールまでのモールド内圧を発生させるため、大きな液圧変換比率を有する射出成形装置を射出成形モールド型に組み込む。
【００２１】
透明のポリカーボネート顆粒を射出成形装置において３００℃で可塑化し、９０℃まで加熱された射出成形モールド型に従来通り低い圧力で注入する。機械パラメータ、つまり測定ストローク、切り換えポイント、保圧時間等は、できるだけ精密な形状を有する射出成形部材が形成されるように、最適化する。保圧時間は、射出成形部材のゲートオープン時間に対応するように設定される。機械設定からスタートして、射出成形装置の圧力は、固化の結果低下するモールド内圧が、保圧区間の間ゲートオープン時間の終盤における圧力に達するまで段階的に上昇する。ゲートオープン時間は、調整された保圧時間と等しく、更なる等積状態の挙動の間、室温（ＲＴ）において、ｐ−ｖ−Ｔダイアグラムにおける１バールラインと交差する。
【００２２】
高圧プロセスの曲線（参照番号２２）については、図２に例示された具体例のケースの場合、ゲート開口時間の終盤における目的とされたモールド内圧は、残留圧力約８００バールである。
【００２３】
知られていないｐ−ｖ−Ｔの挙動のケースについては、ｐ−ｖ−Ｔ依存性を介して射出成形装置を設定することに替えて、必要な保圧が実験的に決定される。このために、保圧は同様に射出成形装置を調整するとき段階的に増加させ、そして、プロセス収縮、すなわちモールド外形の大きさからのずれが、それぞれの射出成形されたレンズについて決定される。ゼロ収縮のために必要な保圧は、調整された保圧の関数である収縮から決定することができる（図３参照）。
【００２４】
それぞれのケースにおいて、異なる粘性を有する３つのタイプのポリカーボネートからなる２つのネガティブレンズを、上述のプロセスにより射出成形し、収差をシャック−ハートマン方法に従って波長ラムダ６３５ｎｍのレーザで測定した（図４参照）。
【００２５】
この実験において、射出成形装置の液圧フォローアップ保圧は、１０００バールから３５００バールまで段階的に増加させた。シャックハートマン法により測定した収差は、３つのタイプのポリカーボネートについて、１０００バールで５〜１１ラムダの範囲から３５００バールで２〜３ラムダの範囲へと減少する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、分離面にゲートとレンズを有する射出モールド型の断面である。これに関連して、参照番号１は可動性の割型を示し、参照番号２は、固定された割型を示し、参照番号３は、平凸ポジティブレンズを示し、参照番号４は分離面における鋳造システムを示し、参照番号５は、平凹ネガティブレンズを示す。
【図２】図２は、高圧方法と比較した従来の方法のｐ−ｖ−Ｔ状態挙動を示している。これに関連して、ｃｍ３／ｇで表される比体積を参照番号２０の垂直軸上にプロットしている。セルシウス温度で表されたバルク温度を参照番号１９の水平軸上にプロットしている。上から下に向かう線は、３００℃／１．２ｋｇで測定してＭＶＲ６０ｇ／１０分のポリカーボネート、例えばマクロロン１２６５（登録商標）についての、１バール（参照番号１）における等圧線、２００バール（参照番号２）における等圧線、４０バール（参照番号３）における等圧線、８００バール（参照番号４）における等圧線、１２００バール（参照番号５）における等圧線、１６００バール（参照番号６）における等圧線、２０００バール（参照番号７）における等圧線、２４００バール（参照番号９）における等圧線である。  点線（参照番号２１）は、従来の圧力を使用した従来の射出成形についてのモールド内圧の曲線を示している。１バールラインに沿って室温まで下がる等圧冷却（参照番号１８）の始点（参照番号１３）と終点（参照番号１４）との間の比体積の差異による、室温での収縮が明らかに見られる。  実線（参照番号２２）は、高圧プロセスの曲線を示している。従来の射出成形モールドプロセスと対照的に、１バールラインに沿った等圧冷却の始点と終点が、室温（参照番号１４）と一致し、その結果、収縮がゼロとなる。このための前提条件としては、十分高い圧力において予め等圧冷却（参照番号１７）することである。
【図３】図３は、ゼロ収縮のための保圧の決定について例示している。  ％で表されたプロセス収縮が、参照番号２の垂直軸上に示されている。参照番号３の水平軸は、射出成形装置において調整される保圧を示している。収縮は、示された範囲（１％〜０％）における保圧の関数として変化する。この収縮の関数は、とりわけ、用いられるプラスティックマテリアルの粘性に依存する。  この具体例では、３００℃／１．２ｋｇで測定してＭＶＲ６０ｇ／１０分の低い粘性のポリカーボネート（マクロロン１２６５（登録商標）、参照番号４で示された下部の実線）についてゼロ収縮を達成するためには２７００バールの保圧が必要である。３００℃／１．２ｋｇで測定してＭＶＲ１９ｇ／１０分の中程度の粘性のポリカーボネート（例えばポリカーボネートタイプのマクロロン２４０５（登録商標）、参照番号５で示された真ん中の点線）については、ゼロ収縮のためには、かなり高い保圧５０００バールが必要である。一方、３００℃／１．２ｋｇで測定してＭＶＲ１２ｇ／１０分のより高い粘性のポリカーボネート（例えばポリカーボネートタイプのマクロロン２６０５（登録商標）、参照番号６で示された最上の細かい点線）については、ゼロ収縮のためには、７５００バールの強さの保圧が必要である。
【図４】図４は、波面収差をテストするためのシャックハートマンセンサーを用いた実験装置を概略的に示している。  テストされるレンズ（参照番号２）の照射を、入射サイド（参照番号５）において、適合した収束波面を有する６３５ｎｍレーザを用いて実行した。テストされるレンズの外側での平面波（参照番号６）は、例えばプロセス収縮の結果として、レンズ表面の全ての形状ずれについての情報を運ぶ。この波面（参照番号６）は、シャックハートマン波面センサー（参照番号４）のカプラーテレスコープ（参照番号３）の補助を受けて形成される。
【図５】図５は、圧力を増加させると共に波面収差を減少させた実験結果を表形式で示す。  表において、ＩＳＯ１０１１０−５による球面収差Ｃ８が、３つのタイプのポリカーボネートについて、波長ラムダ（６３５ｎｍ）を基に、コラム形式で示されている。それぞれのケースについて、２回計測した。ライン毎の入力は、射出形成装置において調整された保圧の影響を示している。球面収差Ｃ８は、１６ラムダから最小３ラムダまで例示された範囲で保圧が減少するに従って増加する。保圧に依存するこの関数は、とりわけ用いられるプラスティックマテリアルの粘性に依存する。この具体例において、３００℃／１．２ｋｇで測定してＭＶＲ６０ｇ／１０分を有する低粘性のポリカーボネート（例えば、マクロロン１２６５（登録商標））は、最も小さい収差を有する。３００℃／１．２ｋｇで測定してＭＶＲ１２ｇ／１０分を有するより粘性の高いポリカーボネート（例えば、ポリカーボネートタイプマクロロンＬＱ２６８７（登録商標））、及び３００℃／１．２ｋｇで測定してＭＶＲ６．５ｇ／１０分を有する高い粘性のポリカーボネート（Ｎｏ５＋６）（例えば、ポリカーボネートタイプマクロロンＬＱ３１１８（登録商標））は、満足できない収差を有し、これは約２ラムダ分だけ、より高い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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