一种微结构薄玻璃元件采用锡液辅助模压成形的工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微结构薄玻璃元件模压成形技术领域，尤其涉及一种采用高温锡液辅助加热、高压锡液辅助模压成形的工艺方法。
【背景技术】
[0002]使用模压成形方法来制造玻璃元件是一种先进制造技术，应用该技术可提高生产率，并实现批量生产的市场要求。玻璃模压成形属于热成型技术，即采用高精度模具在高温无氧条件下将玻璃预形体压制变形，直接复制模具成形腔形状的一种高效加工方法。玻璃在模压成形过程中玻璃预形体的充填率、玻璃内部的温度和应力分布直接影响到透镜的成形质量。现有的玻璃元件模压成形技术，一般是采用模具直接压制熔融状态的玻璃预形体完成充填，冷却固化后脱模得到透镜。如日本东京都Η0ΥΑ株式会社的春日善子、立和名一雄、柳田裕昭发明的并于2002年10月15日申请中国专利的“光学玻璃、模压成形用玻璃材料、光学元件及其制造方法”(专利申请号:200610111058.9，公开(公告)号:CN1931755A，公开(公告)日:2007.03.21)，它是通过采用成形用玻璃材料加热、软化并且模压成形的玻璃模压成形品的制造方法，包含使玻璃原材料软化的工序、使所得到的熔融玻璃成形的工序、以及对已成形的玻璃进行退火的工序。
[0003]然而采用包括上述工艺等传统方法制作微结构薄玻璃元件时，模压成形过程中玻璃预形体在模具的直接压力下变形，预形体受力不均匀而导致各个微结构充填率不一致；预形体表面与模具表面的差异使得预形体受热或退火不均匀，成形元件内部残余应力分布不均，尤其针对薄玻璃板时，容易产生翘曲变形，甚至出现破裂问题。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种充填率高、充填更均匀且易于控制的微结构薄玻璃元件采用锡液辅助模压成形的工艺方法。
[0005]为了解决上述技术问题并实现本发明目的，本发明采用如下技术方案:首先准备一个带加热装置的锡液容器，由加热装置将锡液容器内的锡加热熔化成液体；然后通过将玻璃预形体放置处于高温锡液表面，当玻璃预形体与高温锡液接触并被加热至模压温度(玻璃的粘度值在106?108dPa*s范围内)后，通过动力装置给锡液容器一端的活塞以压力，锡液将此压力均匀传递给已处于熔融状态的玻璃预形体表面，从而推动熔融玻璃充填锡液容器另一个端口上安装的表面设置为微结构成形腔的模具，通过锡液传力可使每一个微结构都具有相同压力而形成微结构薄玻璃元件；再通过进行保压处理，从而复制出模具下表面设置的微结构成形腔内的微结构形状，常规退火及冷却处理，待成形薄玻璃元件冷却至室温后，再开模取出制品即告完成所有工序。
[0006]其工艺过程包括加热、合模、锡液辅助模压、保压及退火、冷却和取出成形制品五个工序。
[0007]在所述加热工序中，在锡液容器中充入氮气，以防止空气中的氧气氧化锡液；待锡液容器内达到无氧环境后，打开锡液容器底部的加热装置并将锡液容器进行加热至232°C以上，金属锡达到熔点后在锡液容器内熔化成液态。
[0008]在所述合模工序中，由于玻璃的密度小于锡液，在浮力作用下玻璃预形体将浮于锡液表面，当玻璃预形体与高温锡液接触并被加热后，通过动力装置给锡液容器的锡液以压力，挤压锡液容器内的锡液至锡液容器安装模具的端口，排除玻璃与锡液之间的空气，并保证玻璃预形体能铺满整个锡液面形成封闭面；随后将模具的微结构成形腔开口向下并压紧于锡液容器端口的锡液上方的玻璃预形体；加热装置持续加热，当玻璃预形体的粘度达到106?108dPa*s时，停止加热，并以常规方法保温。
[0009]在所述锡液辅助模压工序中，当玻璃预形体被均匀加热至模压温度后，所述模压温度是指使玻璃的粘度值在106?108dPa*s范围内，启动动力装置给锡液容器一端的活塞以压力，通过活塞挤压锡液容器内的锡液以增加锡液的内部压力，锡液将此压力均匀传递给已处于熔融状态的玻璃预形体表面，从而推动熔融状态玻璃充填锡液容器一个端口上安装的表面设置为微结构成形腔的模具，通过锡液辅助可使每一个微结构都具有相同压力而形成更均匀的微结构薄玻璃元件，从而复制模具表面的微结构形状。
[0010]在所述保压及退火工序中，待玻璃预形体充分充模后，以较小保持压力处于恒定状态，以免退火时玻璃预形体因结构松弛和降温收缩而产生变形，关闭加热装置，通过自然散热，缓慢降低锡液容器内锡液、玻璃以及模具的温度；当微结构成形腔内玻璃的粘度由106?108dPa*s变为1013dPa*s时，完成退火。
[0011]在所述冷却和取出成品工序中，待模具内玻璃的粘度达到1013dPa *s时，该玻璃预形体形成成品，撤掉作用于锡液容器一端活塞的压力，待微结构成品冷却后，将模具从锡液容器端口取下，从其中取出微结构成品。
[0012]所述锡液容器为通槽、通孔、或通道结构，且一端为敞口，另一端成密封配合安装有液压装置，且在锡液容器底部设置有加热装置7 ;模具1为盖形结构，模具1成密封配合套装在锡液容器一端的敞口上，且在模具1对应锡液容器敞口一侧设置表面为微结构成形腔2。
[0013]所述锡液容器采用包括U型槽5、直通孔、或L形通槽结构；液压装置采用包括活塞机构、或其它可改变锡液容器容积的机构。
[0014]所述锡液容器内盛装锡液6，并在模具1与锡液容器敞口之间放置玻璃预形体4，玻璃预形体4位于锡液6的液面之上。
[0015]为增强密封效果，也可在模具1与锡液容器的敞口端相配合安装处设置有密封垫3。
[0016]本发明的有益效果是:在加热和退火阶段，通过锡液辅助加热的方法可提高加热效率并改善玻璃内部温度的均匀性，以减少因热应力分布不均而导致薄型光学元件翘曲变形的问题；在模压阶段，基于锡液的良好压力传递性能，通过锡液辅助模压成形方法可使模具表面的各个微结构都具有相同压力而形成均匀微结构；从而有效改善成形质量。专用的微结构薄玻璃元件锡液辅助模压成形装置，通过锡液容器内的锡液浮力托起玻璃预形体，增加玻璃预形体和锡液的接触面，提高加热(退火)效率并改善玻璃预形体内部温度的均匀性；通过液压活塞挤压锡液，锡液将此压力等值同时传递给已处于熔融状态的玻璃预形体，并推动熔融玻璃均匀充填微结构，改善各个微结构充填率不一致的问题，从而提高成形精度，它可广泛用于微结构薄玻璃元件成形工艺领域。
【附图说明】
[0017]图1是微结构薄玻璃元件锡液辅助模压成形的工艺流程参考图。
[0018]图2是微结构薄玻璃元件锡液辅助模压成形装置的结构示意图。
[0019]图3是在工艺流程中处于合模状态的结构示意图。
[0020]图4是在工艺流程中处于锡液辅助模压、保压及退火状态的结构示意图。
[0021]图5是实施例3中制造微柱状阵列透镜模具的俯视结构示意图。
[0022]图6是实施例4中制造菲涅尔透镜模具的主视结构示意图。
[0023]图1中标示为:1、模具，2、微结构成形腔，3、密封垫，4、玻璃预形体，41、微结构玻璃元件，5、U型槽，6、锡液，7、加热装置，8、液压活塞，9、