Ich habe in den sozialen Medien zahlreiche Diskussionen über „Freiform“-Brillengläser mitverfolgt. Vieles davon erschien mir falsch, daher dachte ich, es wäre sinnvoll, hier darüber zu sprechen. Die meisten Anbieter optischer Produkte verwenden den Begriff „Freiform“ für Gleitsichtgläser (PALs), die durch das Schneiden komplexer Kurven, einschließlich der Gleitsichtfläche, auf der Rückseite (der Augenseite) eines halbfertigen Einstärkenglasrohlings hergestellt werden.
Viele Optiker und andere Praktiker haben noch nie ein Oberflächenlabor von innen gesehen. Schauen wir uns daher zunächst an, wie Linsen traditionell oberflächenbearbeitet werden. Ich gebe Ihnen hier einen Überblick und beschreibe nur die wichtigsten Schritte (an alle Laborkollegen: Ich weiß, ich lasse ein paar Details aus, aber ich glaube nicht, dass sie für dieses Thema relevant sind).
Bestellungen kommen auf verschiedenen Wegen in die Labore, aber heutzutage kommen sie typischerweise in einem integrierten optisches Labormanagementsystem (LMS), wie beispielsweise Innovationen. Neben der Preisgestaltung und Rechnungsstellung für die Bestellung ermittelt das LMS normalerweise auch, welche Rohlinge verwendet werden sollen und, falls die Linsen bearbeitet werden müssen, wie die „halbfertigen“ Rohlinge geschliffen werden müssen, um unter Berücksichtigung der Anforderungen der Bestellung und der geltenden gesetzlichen oder konventionellen Normen hinsichtlich Dicke und Schlagfestigkeit möglichst dünne Linsen herzustellen.
„Halbfertige“ Linsenrohlinge haben eine fertige Vorderfläche, die sphärisch sein kann (obwohl es in der fernen Vergangenheit nicht ungewöhnlich war, dass halbfertige Rohlinge torische Vorderflächen hatten, die zur Herstellung von Einstärkenlinsen in „Pluszylinder“-Form verwendet wurden); sie können Segmente auf den Vorderflächen haben (im Fall von Multifokallinsen mit flacher Oberseite und runden Segmenten); oder sie können komplexe Gleitsichttopologien aufweisen.
Traditionelle Linsenoberflächenbearbeitung: Die vier Schritte
Bei der traditionellen Linsenherstellung (auch Oberflächenbearbeitung genannt) gibt es vier Hauptschritte: Blockieren, Generieren, Glätten und Polieren. Nachfolgend finden Sie eine kurze Übersicht über die einzelnen Schritte:
- Blockierung: Dabei wird ein Gegenstand mithilfe verschiedener Materialien (oft eine Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt, in letzter Zeit werden jedoch auch mehrere Harze und Klebstoffe verwendet) an der fertigen Vorderseite der Linse befestigt, die auf der einen Seite am Block und auf der anderen Seite an der Linse haften. Der Block dient dazu, die Linse in den Maschinen zu halten.
- Erstellen: Es schneidet eine sphärische oder torische Oberfläche auf der Rückseite des Rohlings. Im Laufe der Jahre wechselten die Hersteller von becherförmigen Schleifwerkzeugen zu Fräs- und Schneidwerkzeugen, mit denen sich torische Oberflächen präziser schneiden lassen. Dennoch sind die erzeugten Oberflächen in allen Fällen recht rau, was den nächsten Schritt, das sogenannte „Feinschleifen“ (in Großbritannien „Glätten“), notwendig macht.
- Schönung (Glättung): Bei diesem Verfahren wird die erzeugte Oberfläche auf einem „Läufer“ (auch „Werkzeug“ genannt) gerieben – einem präzise gefertigten Metallwerkzeug, das die gewünschte Form erhält. Da Brillengläser heutzutage fast ausschließlich aus Kunststoff bestehen, reichen Schleifpads, die an der Oberfläche des Läufers haften, aus, um die Oberflächen so weit zu glätten, dass sie poliert werden können. Ein auf die Schnittstelle zwischen Linse und Läufer gerichteter Wasserstrahl entfernt die durch das Schleifmittel entstandenen Feinpartikel.
- Polieren: Ein Prozess, der dem Feinschleifen nahezu identisch ist (die Maschinen sind identisch), nur dass anstelle des Schleifpads ein weiches, poröses Pad verwendet wird. Anstelle von Wasser wird eine Polierpaste verwendet, die aus in Wasser suspendierten, sehr feinen Partikeln besteht. Das Pad wird mit der Polierpaste getränkt und erzeugt so eine brillante, spiegelnde Oberfläche.
Dieser grundlegende vierstufige Prozess zur Oberflächenbearbeitung von Linsen blieb jahrzehntelang im Wesentlichen unverändert. Es gab jedoch kontinuierliche Verbesserungen bei Materialien und Techniken, die die Oberflächenbearbeitung effizienter und präziser machten.
Die Entwicklung von Schleifschwämmen Anfang der 1970er Jahre war revolutionär und trug maßgeblich dazu bei, dass Kunststoff in diesem Jahrzehnt Glas überholte. Ursprünglich war ein zweistufiger Läuterungsprozess erforderlich; im ersten Schritt wurde ein aggressives Schleifmittel (normalerweise Siliziumkarbid) verwendet, um nicht nur die Oberfläche zu glätten, sondern auch etwaige Ungenauigkeiten zu korrigieren (Ungenauigkeiten waren aufgrund der Verwendung von Topfschleifwerkzeugen in den damaligen Generatoren häufig). Während einige Topfschleifmaschinen relativ glatte Oberflächen erzeugen konnten (aber nur bei sehr langsamer Betriebsweise), waren sie nicht in der Lage, sehr genaue torische Oberflächen zu erzeugen. Im zweiten Läuterungsschritt wurde ein feineres, weicheres Schleifmittel (normalerweise Aluminiumoxid) verwendet.
Ende der 1980er Jahre tauchten in optischen Laboren die ersten Fräs- und Drehmaschinen auf. Diese ermöglichten das direkte Schneiden von Oberflächen mit deutlich höherer Formgenauigkeit als die älteren Schleiftechniken – das heißt, sie konnten sehr präzise torische und komplexe Kurven erzeugen. Anfangs waren die Oberflächen dieser CNC-Maschinen noch etwas rau, doch mit fortschreitender Technologie erzielten sie glattere Ergebnisse.
Tatsächlich waren diese Generatoren im Laufe der Zeit in der Lage, so glatte Oberflächen zu erzeugen, dass diese ohne jeglichen Feinbearbeitungsschritt direkt poliert werden konnten. Diese Fähigkeit wurde als „Cut-to-Polish“ bekannt. Frühe Cut-to-Polish-Systeme verwendeten für den letzten Polierschritt noch die traditionellen starren Rundscheiben, doch die Oberflächenbearbeitung erkannte schnell eine bahnbrechende Neuerung: Wenn man polierbare Oberflächen direkt erzeugen konnte, war man nicht mehr auf einfache Kugeln und torische Formen beschränkt. Plötzlich schien es möglich, weitaus komplexere Oberflächengeometrien zu erzeugen – und damit begann die Freiform als erreichbares Ziel zu gelten.
Von Cut-to-Polish bis hin zu Freeform-Gleitsichtgläsern
Bevor das Schneiden und Polieren möglich wurde und die Fachleute die Verbesserungen bei Formgenauigkeit und Oberflächenrauheit sahen, die Generatoren erzielen konnten, dachten sie über das nach, was bis dahin eine Art „Heiliger Gral“ gewesen war. Was wäre, wenn Gleitsichtglasoberflächen mit dieser Oberflächenqualität auf der Okularseite von sphärischen, halbfertigen Glasrohlingen geschnitten werden könnten?
Der Vorteil einer solchen Lösung lag auf der Hand: Halbfertige Einstärken-Rohlinge waren (und sind) wesentlich günstiger als halbfertige Gleitsichtgläser. Darüber hinaus wäre die Anzahl der vorrätigen Halbfertigen Einstärken-Rohlinge (sieben bis zwölf verschiedene Basiskurven) nur ein Bruchteil (typischerweise ein Neuntel, da es neun gängige Additionsstärken gibt) der Anzahl der vorrätigen Halbfertigen Gleitsichtgläser (sieben bis zwölf Basiskurven mal neun Additionsstärken), wenn Gleitsichtgläser mit unterschiedlichen Additionen auf Anfrage hergestellt werden könnten.
Kurz gesagt: Gleitsichtgläser in Freiform versprachen erhebliche Kosteneinsparungen bei der Linsenproduktion, da jede Linse auf Bestellung gefertigt werden musste, anstatt auf einen Bestand vorgeformter Rohlinge zurückzugreifen.
Zwei Wegbereiter fehlen noch
Um diese Ziele in die Praxis umzusetzen, waren zwei weitere Innovationen erforderlich.
Innovation Nr. 1: Polieren komplexer Oberflächen
Die erste Herausforderung bestand im Polierprozess. Während Generatoren polierbare Oberflächen schneiden konnten, wurden beim bestehenden Verfahren Läppscheiben (auch „Werkzeuge“ genannt) verwendet, die sphärische oder torische Kurven aufwiesen. Die entsprechenden sphärischen oder torischen Oberflächen der zu polierenden Linsen konnten mit einer leicht abrasiven Polierpaste und einem Pad zwischen Linsenoberfläche und Läppoberfläche an den Läppoberflächen gerieben werden. Die Bewegungen waren so komplex und zufällig, dass keine örtlich begrenzten Fehler in den Oberflächen entstanden, die sonst durch Unregelmäßigkeiten in der Läpp- oder Padoberfläche entstehen könnten.
Diese Art der Bewegung konnte für komplexere Oberflächen, wie etwa Gleitschleifflächen, nicht verwendet werden. Die Wellen in der Oberfläche verhinderten diese Reibbewegung. Die Lösung erwies sich als recht einfach: die Verwendung von „konformen“ Polierscheiben, die in Maschinen gedreht wurden, die zunächst stark an altmodische Kugelmaschinen erinnerten. Letztere verwendeten pilzförmige Metallscheiben, die auf ihren „Stielen“ (um die Metapher etwas weiter auszudehnen) gedreht wurden; eine Linse, die auf einer Seite der Scheibe unterhalb ihrer Spitze gehalten wurde, drehte sich aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der rotierenden Oberfläche näher am Zentrum der rotierenden Scheibe, wo die Rotationsgeschwindigkeit schließlich auf Null sinkt, im Vergleich zum äußeren Rand.
Die Kombination aus der kurvenförmigen Bewegung der rotierenden Läppoberfläche, der rotierenden Drehbewegung der Linse und einer dritten Bewegung, die die rotierende Linse vom Rand bis fast zur Mitte über die Läppoberfläche bewegte, erzeugte eine sehr effiziente, zufällige Bewegung. Einige der ersten Freiform-Polierer nutzten diese Bewegung mit einer großen, sphärischen Läppscheibe, deren Oberfläche sich der unregelmäßigen Oberfläche der Linse anpassen konnte (daher der Name „konform“). Die Fähigkeit der konformen Läppscheiben, sich an die wellenförmige progressive Oberfläche anzupassen, verdanken sie einer Schicht aus komprimierbarem Material, ähnlich einem dichten Schwamm oder Schaum, die sich zwischen der Basis der Läppscheibe und dem Polierpad befindet. Diese Schicht ermöglichte es der Läppoberfläche, sich während des gesamten Prozesses an die unregelmäßige (d. h. nicht sphärische, nicht torische, asymmetrische) Linsenoberfläche anzupassen.
Runden mit kleiner Blende: Bessere Konformität
Eine weitere Verfeinerung dieses Verfahrens erfolgte durch sogenannte „Kleinblenden“-Läppchen, deren Durchmesser kleiner als die Brillengläser war – etwa ein Drittel bis die Hälfte des Brillenglasdurchmessers. Dies erforderte komplexere Maschinen, um die für eine gleichmäßige, zufällige Bearbeitung der Brillenglasoberfläche erforderlichen Bewegungen auszuführen. Allerdings passten sich die Läppchen mit kleinerem Durchmesser den unregelmäßigen Gleitsichtflächen besser an als die großen, sodass sich die Läppchen mit kleiner Blende überall durchgesetzt haben.
Innovation Nr. 2: Daten- und Kommunikationsstandards
Die Kombination von Generatoren zur Erzeugung polierbarer Oberflächen mit Schleifscheiben ermöglichte die Herstellung komplexer Linsenoberflächen. Um den Prozess praktikabel zu machen, war jedoch eine weitere Innovation erforderlich: Oberflächenbeschreibungen, die die Generatoren und in gewissem Maße auch die Schleifscheiben „verstehen“ konnten, um die Oberflächen erzeugen zu können.
Die Oberflächen selbst unterschieden sich von allem, was kommerziell hergestellt wurde. Erinnern Sie sich, dass das ursprüngliche Ziel darin bestand, eine Gleitsichtfläche auf der (Okular-)Rückseite eines halbfertigen Einstärken-Rohlings herzustellen. Zwar wäre es möglich gewesen, ein Gleitsichtdesign, wie es auf der (Objekt-)Vorderseite von Gleitsicht-Rohlingen hergestellt wurde, auf der Rückseite zu replizieren, doch sollte es offensichtlich sein, dass die Gleitsichtfläche mit einer „Rezeptfläche“ kombiniert werden musste, um brauchbare Gläser zu erhalten. Darüber hinaus mussten die kombinierten Flächen angepasst werden, um die Glasdicke und Abweichungen in den Vorderflächen der verwendeten Rohlinge auszugleichen. Um die gewünschte Oberfläche zu erhalten, war und ist daher für jeden Auftrag eine individuelle Berechnung der Flächen erforderlich.
Glücklicherweise wurde bereits früh in diesem Prozess ein Standard für die Kommunikation zwischen optischen Labormanagement-Software (LMS), Lens Design Software (LDS) und freiformfähige Geräte wurden durch die Erweiterung der bestehenden Data Kommunikationsstandard um den erforderlichen neuen Datenaustausch zu ermöglichen. Das LMS könnte mit dem LDS kommunizieren, um das Oberflächendesign zu erhalten und es bei Bedarf an die Maschinen zu liefern, wodurch die Freiformtechnologie kommerziell praktikabel und schließlich zum Mainstream wird.
