DE102009001102A1

DE102009001102A1 - Verfahren und Bemessungsregel zur Dimensionierung und Herstellung von Fresnel-Linsen zur Licht-Fokussierung

Info

Publication number: DE102009001102A1
Application number: DE102009001102A
Authority: DE
Inventors: Stefan Delp; Heiko Dr. Rochholz; Peter Battenhausen
Original assignee: Evonik Roehm GmbH
Current assignee: Evonik Roehm GmbH
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-08-26
Also published as: DE112010000878A5; WO2010097263A1; TW201043452A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von linearen Fresnel-Linsen durch Formen eines Schmelzestranges eines thermoplastischen Kunststoffs, wie beispielsweise Polymeth(meth)acrylat, auf der Oberfläche einer rotierenden Trommel, die in bestimmten Bereichen heiz- und kühlbar ist, wobei der Schmelzstrang mittels einer Vorrichtung an die rotierende Trommel angepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der rotierenden Trommel nach den Maßgaben des Optimierungsprogramms graviert ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Im Vergleich zu massiven Linsen eignen sich Fresnel-Linsen durch ihren geringen Materialbedarf auch für großflächige Anwendungen. Auf dem Gebiet der solarthermischen Energiegewinnung besteht für große Sammellinsen ein nützliches Einsatzpotential. Sie können Sonnenlicht auf Wärmeträger fokussieren und diese auf hohe Temperaturen aufheizen. Billige Fresnel-Linsen können aus Kunststoffen gepreßt werden und finden in Tageslichtprojektoren, bei Passiv-Infrarotsensoren, bei einfachen Handlupen und als Weitwinkellinsen in Automobil-Heckscheiben und Ladenkassen zur Kontrolle der Einkaufswagen Anwendung
Die Erfindung betrifft die Verwendung und die Anwendung eines verbesserten Herstellungsverfahrens einer linearen Fresnel-Linse aus transparenten Kunststoffen, deren Geometrie optisch und herstellungstechnisch mit einem neuen Berechnungsprogramm optimiert wurde. Unter einer linearen Fresnel-Linse wird eine Fresnel-Linse verstanden, die wie eine Zylinderlinse wirkt und eine lineare Brennzone aufweist.
Stand der Technik
US-PS 5,656,209 (Röhm GmbH) beschreibt ein Verfahren zur Extrusion von Fresnel-Linsen aus transparenten Kunststoffen, wie beispielsweise Polymethyl(meth)acrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC). Der aus einer Breitschlitzdüse austretende Schmelzestrom umschlingt die Prägewalze, die dem Schmelzestrom das Profil der Fresnel-Linse aufprägt. Die Dicke der Linse beträgt ca. 6 mm, die Linsen bestehen aus einem nicht näher spezifizierten Polymethylmethacrylat.
WO 01/196000 (Schröder, Nawrath) beschreibt ein weiteres Verfahren zur Herstellung von endlosen, optisch abbildungsfähigen Folien, Bahnen oder Platten und eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens. Aufgabe der Erfindung ist es, die bisher unbefriedigende Abbildungsgenauigkeit der Strukturen auf den Film o. ä. zu verbessern.
Die Lösung besteht darin, das aus einer Breitschlitzdüse austretende Schmelzeband aus PMMA mittels eines umlaufenden Stahlbands auf die gravierte Walze aufzupressen. Die Temperatur der Gravurwalze am Auftreffpunkt der Kunststoffschmelze (im Falle PMMA) liegt nahe der für Extrusionsprozesse höchst zulässigen Temperatur, entlang des Umfangs der Gravurwalze wird anschließend abgekühlt, so dass eine Entformung der entstandenen Fresnel-Linse problemlos möglich ist.
EP 1 559 528 (Kark AG) beschreibt eine Vorrichtung zum Formen eines Kunststoffformkörpers an einer rotierenden Trommel, wobei die Trommel in einzelnen Bereichen heizbar und kühlbar ist.
Aufgabe
Es bestand nun die Aufgabe, das Verfahren zur Herstellung von linearen Fresnel-Linsen aus transparenten Kunststoffen mit den bekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik so zu optimieren, dass man in der Lage ist, einer Prägewalze eine derart optimierte Struktur zu geben, dass eine damit geformte lineare Fresnel-Linse senkrecht auf sie einfallendes paralleles (Sonnen-)Licht bei optimaler Lichtsammelintensität und Energieausbeute in einer möglichst schmalen Fokus-Linie bündelt.
Bei der Konstruktion dieser fresnel'schen Stufenstruktur gibt es folgende Probleme, die gelöst bzw. berücksichtigt wurden:

1. Aberration: Das Auftreten der sphärischen Aberration, also die Variation der Fokuslage von Achsen-fernen und Achsen-nahen Lichtstrahlen, wurde in der Berechnungsvorschrift durch eine optimierte Gestaltung der Flankenwinkel vermieden. (Hierzu wurde für den mittleren Wellenlängenbereich, mit dem die Linse bestrahlt werden soll, der Brechungsindex des eingesetzten Polymers bestimmt und in der Berechnung verwendet. Die Farbzerstreuung, also die Variation der Fokuslage in Abhängigkeit der Wellenlänge, kann wegen der Dispersion des Brechungsindex des eingesetzten Polymers mit einer einzelnen Fresnel-Linse nicht beeinflusst werden. Als mittlere Wellenlänge wurden beispielsweise 630 nm angenommen.)
2. Minimierung des von der Prägewalze umzuformenden Materials auf den Bereich der Breite einer Flankenstruktur entlang der gesamten Breite der Fresnel-Linse.
3. Durch die zu minimierende Abrundung der Stufenkanten in der Fresnel-Linse entstehen Störungen, die auch senkrecht auf die Plattenebene einfallendes Licht in ungewünschte Richtungen lenken. Die Flächen der dazwischen liegenden Steilflanken verursachen zusätzliche Verluste durch ihre Lichtbrechung gemäß einer Zerstreuungszylinderlinse. Die Bemessung dieses Winkels wurde auf den zur Entformung erforderlichen Wert minimiert. Der Winkel beträgt beispielsweise ca. 1°–4°.
4. Die berechnete Kontur auf der Walze zur Abformung wird mit einem keilförmigen Werkzeug herausgedreht. Die Linse ist optisch optimiert unter der Nebenbedingung der Möglichkeiten des Werkzeuges.

Lösung
Gelöst wird die Aufgabe durch die zur Verfügungstellung der Profilkoordinaten, die es erlauben, die Maschine zur Gravur der Prägewalze so zu steuern, dass damit eine Prägewalze angefertigt werden kann, mit der unter Anwendung des Stands der Technik linearen Fresnel-Linsen im Sinne der Aufgabe geformt werden können. Die Erfindung stellt ferner eine optimierte lineare Fresnel-Linse aus transparenten Kunststoffen zur Verfügung.
Durchführung der Erfindung
Transparenter Kunststoff
Als transparente Kunststoffe können Poly(meth)acrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), cyclisch Olefincopolymere (OCP) oder Polystyrol (PS) verwendet werden.
Poly(meth)acrylat (PMMA)
Geeignet zur Durchführung der Erfindung ist z. B. eine Polymethylmethacrylat-Formmasse, das aus 80 bis 100 Gew.-% Methylmethacrylat-Einheiten und gegebenenfalls aus 0 bis 20 Gew.-% weiteren copolymerisierbaren Monomeren besteht. Zu nennen sind z. B. Hydroxyethylmethacrylat, Butylacrylat, Ethylacrylat oder bevorzugt Methylacrylat. Das Molekulargewicht Mw (Gewichtsmittel, bestimmt z. B. nach DSC oder durch Gelchromatographie) kann z. B. im Bereich von 5 × 10⁴ bis 2 × 10⁵ liegen. Die geeigneten PMMA-Typen sind unter der Marke Plexiglas^® bei der Evonik Röhm GmbH erhältlich, beispielsweise Plexiglas^® POQ 62 oder Plexiglas^® POQ 64 oder Plexiglas^® 6N.
Bevorzugt werden leicht fließende Typen der PMMA-Formmassen mit einer Schmelzvolumenrate von 25–5 cm³/10min eingesetzt, besonders bevorzugt werden PMMA-Formmassen mit einer Schmelzvolumenrate von 20–10 eingesetzt. Die Schmelzvolumenrate wird nach ISO 1133 (230/3,8) bestimmt.
Schlagzähes Polymethylmethacrylat (sz-PMMA)
Schlagzähmodifiziertes Polymethylmethacrylat und dessen Herstellung ist z. B. aus EP-A 0 733 754 bekannt.
Das schlagzähe Polymethylmethacrylat kann z. B. aufgebaut aus p1) 4 bis 30 Gew.-% einer Elastomerphase aus p2) 70 bis 96 Gew.-% einer thermoplastischen Matrixphase aus Polymethylmethacrylat, das bis zu 20 Gew.-Teilen, bezogen auf 100 Gew.-Teile P, an geeigneten Comonomeranteilen enthalten kann, wobei die Brechungsindices der Elastomerphase E und der Matrixphase M um maximal n ≤ 0,02 voneinander abweichen und wobei die Summe von p1) + p2) 100 Gew.-% ausmacht.
Die Elastomerphase aus vernetzter Polymerphase ist aus 60 bis 99,9 Gew.-Teilen Alkylacrylat und/oder Arylacrylat, aus 0,1 bis 10 Gew.-Teilen geeigneten Vernetzungsmitteln und gegebenenfalls aus 0 bis 30 Gew.-Teilen an geeigneten monofunktionellen ethylenisch ungesättigten Monomeren aufgebaut.
Vorzugsweise werden als Alkylacrylate C₂-C₁₀-Alkylacrylate eingesetzt, wie beispielsweise Ethylacrylat, Propylacrylat, iso-Propylacrylat, Amylacrylat, Hexylacrylat, Octylacrylat, Decylacrylat, sowie besonders bevorzugt Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat. Bevorzugte Acrylate sind Phenylacrylat, 2-Phenylethylacrylat, 3-Phenyl-1-propylacrylat, 2-Phenoxyethylacrylat, 2-Phenoxyethoxyethylacrylat, sowie besonders bevorzugt Benzylacrylat.
Die Vernetzungsmittel sind im allgemeinen Verbindungen mit mindestens zwei ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Resten. Als Vertreter für Verbindungen mit zwei ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Resten seien beispielhaft genannt: (Meth)acrylester von Diolen, wie beispielsweise Ethylenglykoldi(meth)acrylat oder 1,4-Butandioldi(meth)acrylat, aromatische Verbindungen, wie beispielsweise Divinylbenzol, sowie Verbindungen mit mindestens einer Allylgruppe, wie beispielsweise Allyl(meth)acrylat. Als Vernetzungsmittel mit drei oder mehr ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Resten seien beispielhaft Triallylcyanurat, Trimethylolpropantri(meth)acrylat sowie Pentaerythritetra(meth)acrylat genannt. Weitere Beispiele hierzu werden beispielsweise in US-P 4,513,118 angegeben.
Die gegebenenfalls in 0 bis 30 Gew.-Teilen in der Elastomerphase enthaltenen Comonomeren, dienen vornehmlich der Angleichung des in der Regel niedrigeren Brechungsindex der Elastomerphase an denjenigen der Matrixphase M. Vorzugsweise werden also Comonomere mit vergleichsweise hohen Brechungs-Indizes gewählt werden, wie beispielsweise radikalisch polymerisierbare aromatische Verbindungen. Beispielhaft seien genannt: Vinyltoluol, Styrol oder α-Methylstyrol, die in solchen Mengen verwendet werden, daß sie die Witterungsbeständigkeit des schlagzähen Polymethylmethacrylats nicht beeinträchtigen.
Die mit der Elastomerphase zumindest zu 5 Gew.-% kovalent verbundene Matrixphase M besteht aus einem Polymethylmethacrylat P, das aus 80 bis 100 Gew.-Teilen Methylmethacrylat-Einheiten aufgebaut ist, und weist eine Glasübergangstemperatur von wenigstens 70°C auf. Weiterhin können im Polymethylmethacrylat 0 bis 20 Gew.-Teile weitere ethylenisch ungesättigte, radikalisch polymerisierbare Comonomereinheiten anwesend sein, vorzugsweise Alkyl(meth)acrylate mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylrest. Das mittlere Molekulargewicht Mw des Polymethylmethacrylats beträgt günstigerweise zwischen 10⁴ und 10⁶, vorzugsweise zwischen 3 × 10⁴ und 5 × 10⁵ Dalton (zur Bestimmung von Mw vergleiche beispielsweise H. F. Mark et.al., Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Ed., Vol. 10, Seiten 1 ff, J. Wiley, New York, 1989).
Vorzugsweise ist die Elastomerphase Bestandteil zwei- oder mehrstufiger Emulsionspolymerisate, die in der äußeren Hülle aus dem die Matrixphase bildenden Polymethylmethacrylate bestehen. Besonders bevorzugt sind Emulsionspolymerisate mit einem wenigstens dreistufigen Aufbau, gebildet aus einem Kern aus Polymethylmethacrylat, einer ersten Schale S1 aus der Elastomerphase und einer zweiten Schale S2 aus Polymethylmethacrylat, wobei sich weitere Schalen entsprechend den Schalen S1 und S2 alternierend anschließen können. Der Anteil der Emulsionspolymerisate am schlagzähen Polymethylmethacrylat beträgt zwischen 5 und 70 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 10 und 50 Gew.-%, wobei die restlichen Gewichtsanteile von dem nicht in den Latexteilchen enthaltenen Polymethylmethacrylat-Kunststoff ausgemacht werden.
Vorzugsweise wird das schlagzähe Polymethylmethacrylat durch Abmischen des Emulsionspolymerisats mit dem Polymethylmethacrylat hergestellt, wobei beispielsweise die Bestandteile gemischt werden und anschließend die Wasserphase und die Emulgatoren abgetrennt werden oder wobei zunächst das Emulsionspolymerisat aus der wäßrigen Phase isoliert wird und anschließend mit dem, beispielsweise durch kontinuierliche Substanzpolymerisation hergestellten Polymethylmethacrylat in der Schmelze gemischt wird. Insgesamt sollen die Latexteilchen, die das Emulsionspolymerisat bilden, einen Durchmesser zwischen 0,1 und 3 um, bevorzugt zwischen 0,15 und 1 μm aufweisen. Prinzipiell ist der Aufbau solcher Latexteilchen und die Isolierung des Emulsionspolymerisats für zweistufige Emulsionspolymerisate beispielsweise in EP-Patent 0 033 999 (= US-Patent 4,543,383 ) und für dreistufige Emulsionspolymerisate beispielsweise in EP-Patent 0 113 925 (= US-Patent 4,513,118 ) beschrieben. Bei der wäßrigen Emulsionspolymerisation arbeitet man zweckmäßigerweise im neutralen oder leicht sauren pH-Bereich, wobei der Verwendung langkettiger Alkylsulfate bzw. Alkylsulfonate als Emulgatoren günstig ist. Als Polymerisationsinitiatoren dienen zweckmäßig die einschlägig bekannten Azoverbindungen bzw. organische oder anorganische Peroxide, wie beispielsweise Persulfate, die im allgemeinen in Mengen zwischen 10^–3 und 1 Gew.-%, bezogen auf die Monomeren, verwendet werden: Zur Einstellung des zuvor beschriebenen Molekulargewichts M_w des im Emulsionspolymerisat anwesenden Polymethylmethacrylats dienen die einschlägig bekannten Molekulargewichtsregler, wie beispielsweise Mercaptoverbindungen, wie 2-Ethylhexylthioglykolat oder tert.-Dodecylmercaptan.
Besonders bevorzugt sind solche Emulsionspolymerisate, die im einem Extruder coaguliert und entwässert werden. Die Schmelze wird dabei in der Entwässerungszone des Extruders in mehrere Abschnitte unterteilt, die jeweils in voneinander getrennten Schneckengängen gefördert werden. Die Schmelzephase wird dabei in wenigstens einem dieser Schneckengänge im Einzugsspalt der Doppelschnecke unter Bildung eines örtlich eng begrenzten Druckgradienten zu einem zusammenhängenden Schmelzekuchen gestaut. Dabei wird das Wasser vor der Grenze des Schmelzekuchens unter der Wirkung der Schwerkraft derart nach unten durch wenigstens eine Abzugsöffnung abfließen gelassen, daß der Schmelzekuchen nicht mit einer zusammenhängenden Wasserphase in Berührung steht. Dadurch werden die im Wasser enthaltenen Zusatzstoffe und Verunreinigungen effektiv entfernt, so das ein besonders witterungsstabiles nicht zur Vergilbung neigendes Material erhalten wird (s. dazu EP-A 0 683 028 und als zweistufiges Verfahren DE 197 18 597 C1 ). Die geeigneten sz-PMMA-Typen sind unter der Marke Plexiglas^® bei der Evonik Röhm GmbH erhältlich, beispielsweise Plexiglas^® zk6BR, zk6HF oder zk6HT.
Polycarbonate
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf thermoplastische formbare Polycarbonate. Polycarbonate sind dem Fachmann bekannte Kunststoffe. Sie bezeichnen thermoplastische Polymere mit der allgemeinen Strukturformel
die formal als Polyester aus Kohlensäure und aliphatischen oder aromatischer Dihydroxy-Verbindung betrachtet werden können. Dabei bezeichnet der Rest R zweibindige aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Gruppen, die sich von den entsprechenden Dihydroxy-Verbindungen ableiten.
Zu den erfindungsgemäß einsetzbaren Polycarbonaten gehören Homopolycarbonate, Copolycarbonate, unverzweigte Polycarbonate, verzweigte Polycarbonate und Mischungen der genannten Polycarbonate.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden aromatische Reste R bevorzugt. Dazu gehören unter anderem Reste, die sich vom Hydrochinon, Resorcinol, 4,4'-Dihydroxydiphenol, 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan, 2,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-2-methylbutan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl)-propan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3,5-dichlorophenyl)-propan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3,5-dibromophenyl)-propan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan oder vom 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethyl cyclohexan ableiten. Besonders bevorzugte Reste R leiten sich vom 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan oder vom 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan ab.
Die Reste R können gegebenenfalls weitere Substituenten, vorzugsweise Methyl- oder Halogengruppen tragen. Besonders bevorzugte Substituenten sind Brom- und Chloratome.
Die erfindungsgemäßen Polycarbonate haben vorzugsweise ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts im Bereich zwischen 10.000 g/mol und 200.000 g/mol. Besonders bevorzugt ist ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts im Bereich zwischen 10.000 g/mol und 100.000 g/mol, insbesondere zwischen 15.000 g/mol und 45.000 g/mol.
Die erfindungsgemäßen Polycarbonate können weitere mit Polycarbonat mischbare Polymere enthalten. Hierzu gehören unter anderem Poly(meth)acrylate, Polyester, Polyamide, Polyimide, Polyurethane, Polyether, ABS, ASA und PBT.
Mischbarkeit der verschiedenen Substanzen bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, daß die Komponenten eine homogene Mischung bilden.
Des weiteren können die Polycarbonate in der Fachwelt weithin bekannte Zusatzstoffe enthalten. Hierzu gehören unter anderem Antistatika, Antioxidantien, Farbstoffe, Füllstoffe, Lichtstabilisatoren, Pigmente, UV-Absorber, Verwitterungsschutzmittel und Weichmacher.
Polystyrol
Polystyrol kann beispielsweise aus folgenden Monomeren aufgebaut sein: Styrol, substituierte Styrole mit einem Alkylsubstituenten in der Seitenkette, wie z. B. α-Methylstyrol und α-Ethylstyrol, substituierte Styrole mit einem Alkylsubstituenten an dem Ring, wie beispielsweise Vinyltoluol und p-Methylstyrol, halogenierte Styrole, wie beispielsweise Monochlorstyrole, Dichlorstyrole, Tribromstyrole und Tetrabromstyrole, eingesetzt werden.
Durchführung der Erfindung

1 Bestimmung des Brechungsindex
2 Optimierung der Linsenstruktur
3 Flussdiagramm

ad 1
Der in die Berechnung einzusetzende Wert für den Brechungsindex folgt aus einer Messung an dem zu verwendenden transparenten Polymer bei einer Wellenlänge, die im mittleren Bereich des Spektrums liegt, mit dem die Linse bestrahlt werden soll. Er wurde bei 23°C bestimmt. Als beispielhaften Wert kann man 1,50 annehmen.
ad 2
Die Koordinaten für die Ansteuerung einer CNC-Maschine zur Herstellung der Fresnel-Linse werden in folgenden Schritten ermittelt.
Figurenbeschreibung
1 zeigt die Geometrie, von der ausgegangen wird. Ein Bündel paralleler Lichtstrahlen werden durch die Fresnel-Linse auf den Punkt F fokussiert. Es ist zu beachten, dass die lineare Fresnel-Linse räumlich einen Linienfokus ergibt. Allgemein sei angenommen, dass das Bündel paralleler Strahlen unter dem Winkel α auf die Linse trifft. Außerdem ist der Fokus um den Abstand f' von der optischen Achse entfernt. Im Folgenden wird nur α = 0° und f' = 0 betrachtet. Die Breite der Linse sei b. Es gilt eine Fresnel-Linse zu konstruieren mit diesen optischen Eigenschaften.
2 zeigt, dass eine Fresnel-Linse aus vielen aneinandergereihten elementaren Flankenkombinationen aufgebaut ist. Eine Flankenkombination (3) besteht aus einer optischen Flanke (1), die den Lichtstrahl in Richtung Fokus lenkt. Außerdem schließen oben und unten zwei Störflanken (2) an, die zu den Stufen der Linse führen. Diese sind so auszurichten, dass möglichst wenige Lichtstrahlen darauf auftreffen sollen. Diese Lichtstrahlen bedeuten eine Verringerung der Energieausbeute, da diese Lichtstrahlen nicht den Fokus erreichen.
Zur Berechnung der optimierten Geometrie führt ein Prozess, der durch das Flussdiagramm (3) beschrieben wird.

1. Startkoordinaten festlegen: Im Fall α = 0° und f' = 0 ist die Linse symmetrisch zur optischen Achse und die Linse wird von der Achse aus nach oben konstruiert. Anschließend wird der obere Teil gespiegelt und die Linse nach unten vervollständigt.
2. Untere störende Flanke ausrichten: Die Flanke wird parallel den Lichtstrahlen in der Linse ausgerichtet. Bei α = 0° ist die Entformung exakt senkrecht zu dieser Oberfläche. Daher wird eine Entformungsneignung der Flanke von ca. 1°–4° verwendet.
3. Optisch wirksame Flanke ausrichten: Die Flanke wird so ausgerichtet, dass der mittlere Lichtstrahl in den Fokus gerichtet wird. Die Brechung der Lichtstrahlen wird nach dem Snellius-Brechungsgesetz unter Einbeziehung des anzuwendenden Brechungsindex berechnet. Die Flanke wird nicht mehr ausgerichtet, wenn aufgrund der Totalreflexionsbedingung ein Lichtstrahl nicht mehr auf den Fokus gerichtet werden kann.
4. Obere störende Flanke optimieren: Die Flanke wird parallel den Lichtstrahl in der Linse ausgerichtet. Ebenfalls wird wieder die Entformungsneignung von ca. 1°–4° berücksichtigt.
5. Flankenkombination skalieren: Die Schritte 2 bis 4 bilden eine Flankenkombination. Eine Einschränkung in der Herstellung ist die maximale Höhe h der Flankenkombination. Außerdem können nur optische Flanken mit einer maximalen Länge z mit optischer Präzision hergestellt werden. Unter diesen beiden Randbedingungen wird die größte mögliche Flankenkombination durch skalieren gewählt und die Koordinaten eingetragen. Außerdem soll ein gleicher Materialfluss bei der Herstellung erzielt werden. Daher wird die Flankenkombination in der horizontalen so ausgerichtet, dass über eine Flankenkombination gemittelt, der Materialverbrauch auf der gestrichelten Linie liegt.
6. Ist die Sollbreite erreicht? Das Aneinanderreihen von Flankenkombinationen wird solange fortgesetzt, bis die Sollbreite erreicht wird oder aufgrund von eintretender Totalreflexion nicht mehr sinnvoll ist.
7. Koordinaten für die nächste Flankenkombination vorbereiten: Ist die Sollbreite noch nicht erreicht worden, so wird die nächste Kombination angehängt.
8. Koordinaten spiegeln: Im Fall α = 0° und f' = 0 ist die Linse symmetrisch und die konstruierte Hälfte muss zusätzlich gespiegelt werden. Andernfalls wird die untere Hälfte separat berechnet.

Unter einer zirkularen Fresnel-Linse wird eine Linse mit konzentrischen Stufen verstanden. Unter einer linearen gekrümmten Fresnel-Linse wird eine Platte verstanden, wobei die Stufen gerade verlaufen. Diese Platte kann dann – z. B. durch einspannen – wie ein Gewölbe eingebaut werden.
Gravur der Prägewalze
Die Prägewalze wird in geeigneten mech. Bearbeitungszentren durch Fräsen und oder Drehen mit der erfindungsgemäß optimierten Fresnel-Struktur versehen.
Herstellung der erfindungsgemäßen Fresnel-Linsen
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Fresnel-Linsen können herkömmliche Einschneckenkneter (Hersteller zum Beispiel Kuhne, Breier, Krauss Maffei) zur Plastifizierung der ausgewählten Thermoplaste eingesetzt werden. Je nach Kunststoff- und Kunststofftype sind Schmelzetemperaturen von ca. 200°C bis 300°C anzuwenden. Die Vorverteilung der Kunststoffschmelze erfolgt durch eine Breitschlitzdüse. Der so auf die Gravurwalze aufgebrachte Schmelzefilm wird durch ein umlaufendes Spiegelband aus hochglanzpoliertem Edelstahl in die Gravurwalze gedrückt, was zur Abformung der vorgegebenen erfindungsgemäßen Fresnel-Struktur in dem erstarrenden Schmelzestrang führt. Anstelle des umlaufendes Spiegelbands aus hochglanzpoliertem Edelstahl können auch eine oder mehrere Rollen angeordnet sein, um den Anpreßdruck der Schmelzebahn auf die Gravurwalze zu erzeugen. Der Anpreßdruck der Rollen kann gleich oder verschieden sein. Die Gravurwalze kann heiz- und/oder kühlbar ausgerüstet sein, wobei einzelne Bereiche heizbar und/oder kühlbar sein können.
Die Dimension der Linse hängt im Wesentlichen von der Leistung des Schneckenkneters sowie von der eingesetzten Breitschlitzdüse und der Breite der Prägetrommel ab.
Die Extrusionsgeschwindigkeit kann von ca. 0,1 bis 10 m/min variieren und wird hauptsächlich durch den Prägewalzendurchmeser und die Linsendicke beeinflusst.
Beispielsweise wurde eine Linse mit folgenden Parametern hergestellt:
Breite 1000 mm
Dicke 2,0 mm

Brechungsindex n = 1,49
Brennweite f = 1500 mm
Abformwinkel ϕ = 4° (Flankensteilheit zur senkrechten Linie)
Alle angegeben Werte sind als Beispiele zu verstehen, die nicht beschränkend sind.
Unter der Berücksichtigung der Fresnel'schen Reflexionen werden 89,9% des Lichtes transmittiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5656209 [0003]
- WO 01/196000 [0004]
- EP 1559528 [0006]
- EP 0733754 A [0013]
- US 4513118 P [0017]
- EP 0033999 [0021]
- US 4543383 [0021]
- EP 0113925 [0021]
- US 4513118 [0021]
- EP 0683028 A [0022]
- DE 19718597 C1 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ISO 1133 [0012]
- H. F. Mark et.al., Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Ed., Vol. 10, Seiten 1 ff, J. Wiley, New York, 1989 [0019]

Claims

Verfahren zur Herstellung von linearen Fresnel-Linsen durch Formen eines Schmelzestrangs eines thermoplastischen Kunststoffs auf der Oberfläche einer rotierenden Trommel, die in bestimmten Bereichen heiz- und kühlbar ist, wobei der Schmelzestrang mittels eines einer Vorrichtung an die rotierende Trommel angepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der rotierenden Trommel nach den Maßgaben des Optimierungsprogramms graviert ist.
Verfahren zur Herstellung von zirkularen Fresnel-Linsen durch Formen eines Schmelzestrangs eines thermoplastischen Kunststoffs auf der Oberfläche einer rotierenden Trommel, die in bestimmten Bereichen heiz- und kühlbar ist, wobei der Schmelzestrang mittels eines einer Vorrichtung an die rotierende Trommel angepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der rotierenden Trommel nach den Maßgaben des Optimierungsprogramms graviert ist.
Verfahren zur Herstellung von gekrümmten linearen Fresnel-Linsen durch Formen eines Schmelzestrangs eines thermoplastischen Kunststoffs auf der Oberfläche einer rotierenden Trommel, die in bestimmten Bereichen heiz- und kühlbar ist, wobei der Schmelzestrang mittels eines einer Vorrichtung an die rotierende Trommel angepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der rotierenden Trommel nach den Maßgaben des Optimierungsprogramms graviert ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung, womit der Schmelzestrang an die rotierende Trommel gepreßt wird, aus einer oder mehreren Rollen besteht.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung, womit der Schmelzestrang an die rotierende Trommel gepreßt wird, aus einem Band besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus Stahl besteht.