微结构玻璃元件锡液辅助模压成形的方法与流程

本发明属于微结构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均匀加热、高压液体辅助模压成形的方法，用于改善玻璃坯料在模压成形过程中加热的均匀性和模压阶段微结构表面的充填性，适用于微结构玻璃元件的模压成形制造，尤其适合于较薄的微结构玻璃元件。

背景技术：

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，并满足批量生产的市场需求。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，直接复制模芯形状的一种高效加工方法。微结构玻璃元件是指直径小于数百微米的微小光学玻璃元件，它是微光学领域内的重要元件之一。其中，玻璃在模压成形过程中微结构玻璃元件的温度和应力分布直接影响到透镜的成形质量。现有的微结构玻璃元件模压成形技术，是采用模具直接压制熔融状态的玻璃，冷却固化后脱模得到透镜。然而采用传统方法制作微结构玻璃元件时，由于成形过程中玻璃预形体受热与受力不均匀，成形元件内部可能出现裂纹、甚至破裂；较薄的透镜阵列在退火阶段容易出现翘曲变形的问题，从而影响最终的成形质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在原微粉料中分级不同密度、粒径和粒度的粉体，并实现高效率、高精度且易于控制分级粒度的超细粉射流提纯分级装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提供一种微结构玻璃元件锡液液体辅助模压成形的方法，它的原理是平面玻璃在锡液浮力作用下浮在锡液表面，与高温锡液直接接触和被均匀加热，并保持良好的平面度；玻璃加热后，通过活塞运动挤压锡液，由于锡液的不可压缩性，所以右端活塞向下运动时，锡液将此压力等值并同时传递给熔融玻璃，受压的锡液沿阻力最小的方向(即模具的成形腔)推动熔融玻璃充填微结构成形腔，并且进行保压处理，从而复制模具表面的微结构形状，待成形玻璃元件冷却凝固后开模取出制品。该方法通过在一个u型锡液槽中引入导热性能优良的锡液，平板玻璃在浮力作用下与高温锡液接触，均匀受热；由于液体具有良好的压力传递性能，液体辅助成形可以将此压力等值传递给熔融玻璃的各个部分，使其产生均匀变形，可以改善充填性能和内部应力分布，并可以有效减小薄型光学元件的翘曲变形，从而有望改善成形质量。

本发明的技术解决方案是，所提供的这样一种微结构玻璃元件锡液液压辅助模压成形的方法是准备一个两端开口、直径相近的u型锡液槽，u型槽底部设置加热装置，右端设置一个活塞，在连接伺服电机驱动下可沿锡液槽内壁上下运动，可抬升左端锡液的液面高度并施加压力；将平板玻璃放置于左端金属锡液上，由于玻璃的密度比锡液小，故在浮力作用下不会下沉。模压前对u型槽进行去氧处理后将成形腔开口向下的模具固定在u型槽左端的端口并对模具与u型槽的接触部分进行密封处理。加热使金属锡液与玻璃坯料达到所需的模压温度，通过开启伺服电机，活塞在电机驱动下向下运动，并对锡液施加压力，熔融玻璃在高温、高压锡液的包围下，高压锡液沿阻力最小的方向(即模具的成形腔)推动熔融玻璃充填成形腔，从而复制模具表面形状。该工艺过程如图1所示，包括加热、合模、液体辅助模压、液体辅助保压及退火、冷却和取出成形制品五个阶段。其具体步骤如下所示：

加热。参见附图1-2，使用如图2所示的微结构玻璃元件锡液液体辅助模压成形装置，将足够的金属锡装入两端开口直径相近的u型槽内，导入氮气，用以驱赶u型槽内的氧气，u型槽左端露出的锡液需要无氧环境，以免锡液氧化。并且整个模压过程都处于无氧条件下，在充满氮气的环境下，防止空气中的氧气氧化模具，同时氮气兼具有调控加热、冷却速率的作用。待u型槽内达到无氧环境后，打开u型槽底部的加热装置并将u型槽进行加热至232℃(锡的熔点为231.89℃)，金属锡达到熔点在u型槽内熔化成液态。

合模。开动伺服电机，通过转换器驱动u型槽右端活塞向下运动，挤压右端u型槽内的锡液至u型槽左端，抬高左端锡液的液面至靠近u型槽左端的端口，将合适体积大小的平板玻璃放置于u型槽左端左侧，推动玻璃板从左至右运动，排除玻璃与锡液之间的空气，并保证熔融状态下的平板玻璃能铺满整个锡液面形成封闭面。模具的边缘开一个浅口环形凹槽，凹槽内圈直径与u型槽左端口的内圈直径成装配尺寸，凹槽里填充二分之一凹槽体积的碳硼烷——有机硅聚合物(最高耐热温度达到800℃的非干性粘弹型密封粘胶剂，具有良好的热稳定性)，随后将模具成形腔开口向下并压紧于u型槽左端的端口，模具凹槽与u型槽上端口通过添加的密封材料紧密贴合，模具成形腔与u型槽左端内腔形成密闭腔。u型槽底部的加热装置持续加热，此时平板玻璃浮于锡液表面，由于平板玻璃与加热面之间出现了导热性能良好的锡液中间层，平板玻璃受热、受力更均匀并改善充填性能和内部应力分布。当成形腔内的玻璃坯料的粘度达到106～108dpa·s时，停止加热，并以常规方法保温。

液体辅助模压。启动伺服电机，伺服电机通过转换器带动u型槽右端的活塞，使活塞向下运动，通过活塞的运动挤压u型槽内的锡液增加锡液的内部压力，使u型槽左端内锡液受到向上的压力继而作用在平板玻璃上，锡液将此压力等值并同时传递给熔融玻璃，推动熔融玻璃充填成形腔，从而复制模具表面的微结构形状。整个过程中熔融玻璃浮在锡液表面并且受到均匀的向上的力，直至熔融玻璃充斥填满成形腔。

保压及退火。待平板玻璃充分充模，同时以常规方法保持活塞所提供的较小持压力处于恒定状态，保持一段时间，以免退火时玻璃坯料结构松弛和降温收缩产生变形。关闭u型槽底部加热装置，通过u型槽的自然散热，缓慢降低u型槽内锡液、玻璃坯料以及模具的温度。当成形腔内的玻璃坯料的粘度由106～108dpa·s变为1013dpa·s时，完成退火。

冷却和取出成品。待步骤四所得模具内的玻璃坯料的粘度达到1013～1015dpa·s时，该玻璃坯料形成成品，撤掉作用在模具上的压力后将模具从u型槽左端口取下，从中取出成品透镜。此时，u型槽内的锡液低于熔点变成固态的金属锡，保留在u型槽内。u型槽内的金属锡，在下一模压加热阶段又变成液体，可循环反复利用。

本发明的有益效果是：1.锡液辅助成形有利于改善加热和退火阶段的玻璃内部温度的均匀性；2.由于液体具有良好的压力传递性能，锡液辅助产生均匀压力可改善充填率和应力分布；3.液体辅助成形可以使熔融玻璃内部各处压力保持一致，减小内部应力，并有效减小薄型光学元件的翘曲变形，从而改善成形质量。

附图说明

图1为本发明的工艺流程参考图。

图2为微透镜阵列锡液液体辅助模压成形装置的结构示意图。

图3为实施例1中微结构成形腔为通孔的模具俯视图。

图4为实施例2中制造菲涅耳透镜的模具主视图。

图中标示为：1、成形腔2、模具3、密封圈4、平板玻璃5、u型槽6、锡液7、加热装置8、活塞9、转换器10、伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1：参见附图1-3，使用如图2所示的微结构玻璃元件锡液液体辅助模压成形装置，将足够的熔点为231.89℃的金属锡装入两端开口直径相近的u型槽5内，u型槽5材料为不锈钢。导入氮气，用以驱赶u型槽5内的氧气，u型槽5左端露出的锡液6需要无氧环境，以免锡液6氧化。并且整个模压过程都需要无氧状态，在充满氮气的环境下，防止空气中的氧气氧化模具2，同时氮气兼具有调控加热、冷却速率的作用。待u型槽5内达到无氧环境后，打开u型槽5底部的加热装置7并将u型槽5进行加热至232℃，金属锡达到熔点在u型槽内熔化成液态的锡液6。

开动伺服电机10，通过转换器9驱动u型槽5右端活塞8向下运动，挤压右端u型槽5内的锡液6至u型槽5左端，抬高左端锡液6的液面至靠近u型槽5左端的端口，将合适体积大小的平板玻璃4放置于u型槽5左端左侧，平板玻璃4材料可为d-zk2、d-zk3、bk7等，推动平板玻璃4从左至右运动，排除平板玻璃4与锡液6之间的空气，并保证熔融状态下的玻璃能铺满整个锡液面形成封闭面。准备一材料为碳化钨的如图3所示成形腔1为通孔结构的微结构阵列模具2，模具2边缘开一个浅口环形凹槽，凹槽内圈直径与u型槽5左端口的内圈直径成装配尺寸，凹槽里填充二分之一凹槽体积的碳硼烷——有机硅聚合物(最高耐热温度达到800℃的非干性粘弹型密封粘胶剂，具有良好的热稳定性)形成密封圈3。随后将模具成形腔1开口向下并压紧于u型槽5左端的端口，模具2凹槽与u型槽5上端口通过添加的密封圈3紧密贴合，成形腔1与u型槽5左端内腔形成密闭腔。u型槽底部的加热装置7持续加热，此时平板玻璃4浮于锡液6表面，由于平板玻璃4与加热面之间出现了导热性能良好的锡液6中间层，平板玻璃4受热、受力更均匀并改善充填性能和内部应力分布。当成形腔1内的熔融玻璃的粘度达到106～108dpa·s时，停止加热，并以常规方法保温。

启动伺服电机10，伺服电机10通过转换器9带动u型槽5右端的活塞8，使活塞8向下运动，通过活塞8的运动挤压u型槽5内的锡液6增加锡液6的内部压力，使u型槽5左端内锡液6受到向上的压力继而作用在平板玻璃4上，锡液6将此压力等值并同时传递给熔融玻璃，推动熔融玻璃充填成形腔1，从而复制模具2表面的微结构形状。整个过程中熔融玻璃浮在锡液6表面并且受到均匀的向上的力，直至熔融玻璃充斥填满成形腔1。

待熔融玻璃充分充模，同时以常规方法保持活塞8所提供的较小持压力处于恒定状态，保持一段时间，以免退火时玻璃坯料结构松弛和降温收缩产生变形。关闭u型槽5底部加热装置7，通过u型槽5的自然散热，缓慢降低u型槽5内锡液6、玻璃坯料以及模具2的温度。当成形腔1内的玻璃坯料的粘度由106～108dpa·s变为1013dpa·s时，完成退火。

待步骤四所得模具2内的玻璃坯料的粘度达到1013～1015dpa·s时，该玻璃坯料形成成品，撤掉作用在模具2上的压力后将模具2从u型槽5左端口取下，从中取出成品透镜。此时，u型槽5内的锡液6低于熔点变成固态的金属锡，保留在u型槽5内。u型槽5内的金属锡，在下一模压加热阶段又变成锡液6，可循环反复利用。

工艺流程包括：一、加热，二、合模，三、液体辅助模压，四、液体保压及退火，五、冷却和取出成品。

实施例2：参见附图1、2、4，使用如图2所示的微结构玻璃元件锡液液体辅助模压成形装置，将足够的熔点为231.89℃的金属锡装入两端开口直径相近的u型槽5内，u型槽5材料为不锈钢。导入氮气，用以驱赶u型槽5内的氧气，u型槽5左端露出的锡液6需要无氧环境，以免锡液6氧化。并且整个模压过程都需要无氧状态，在充满氮气的环境下，防止空气中的氧气氧化模具2，同时氮气兼具有调控加热、冷却速率的作用。待u型槽5内达到无氧环境后，打开u型槽5底部的加热装置7并将u型槽5进行加热至232℃，金属锡达到熔点在u型槽内熔化成液态的锡液6。

开动伺服电机10，通过转换器9驱动u型槽5右端活塞8向下运动，挤压右端u型槽5内的锡液6至u型槽5左端，抬高左端锡液6的液面至靠近u型槽5左端的端口，将合适体积大小的平板玻璃4放置于u型槽5左端左侧，平板玻璃4材料可为d-zk2、d-zk3、bk7等，推动平板玻璃4从左至右运动，排除平板玻璃4与锡液6之间的空气，并保证熔融状态下的玻璃能铺满整个锡液面形成封闭面。准备一材料为碳化钨的如图4所示制作菲涅耳透镜的模具2，模具2边缘开一个浅口环形凹槽，凹槽内圈直径与u型槽5左端口的内圈直径成装配尺寸，凹槽里填充二分之一凹槽体积的碳硼烷——有机硅聚合物(最高耐热温度达到800℃的非干性粘弹型密封粘胶剂，具有良好的热稳定性)形成密封圈3。随后将模具成形腔1开口向下并压紧于u型槽5左端的端口，模具2凹槽与u型槽5上端口通过添加的密封圈3紧密贴合，成形腔1与u型槽5左端内腔形成密闭腔。u型槽底部的加热装置7持续加热，此时平板玻璃4浮于锡液6表面，由于平板玻璃4与加热面之间出现了导热性能良好的锡液6中间层，平板玻璃4受热、受力更均匀并改善充填性能和内部应力分布。当成形腔1内的熔融玻璃的粘度达到106～108dpa·s时，停止加热，并以常规方法保温。

启动伺服电机10，伺服电机10通过转换器9带动u型槽5右端的活塞8，使活塞8向下运动，通过活塞8的运动挤压u型槽5内的锡液6增加锡液6的内部压力，使u型槽5左端内锡液6受到向上的压力继而作用在平板玻璃4上，锡液6将此压力等值并同时传递给熔融玻璃，推动熔融玻璃充填成形腔1，从而复制模具2表面的微结构形状。整个过程中熔融玻璃浮在锡液6表面并且受到均匀的向上的力，直至熔融玻璃充斥填满成形腔1。

待熔融玻璃充分充模，同时以常规方法保持活塞8所提供的较小持压力处于恒定状态，保持一段时间，以免退火时玻璃坯料结构松弛和降温收缩产生变形。关闭u型槽5底部加热装置7，通过u型槽5的自然散热，缓慢降低u型槽5内锡液6、玻璃坯料以及模具2的温度。当成形腔1内的玻璃坯料的粘度由106～108dpa·s变为1013dpa·s时，完成退火。

待步骤四所得模具2内的玻璃坯料的粘度达到1013～1015dpa·s时，该玻璃坯料形成成品，撤掉作用在模具2上的压力后将模具2从u型槽5左端口取下，从中取出成品透镜。此时，u型槽5内的锡液6低于熔点变成固态的金属锡，保留在u型槽5内。u型槽5内的金属锡，在下一模压加热阶段又变成锡液6，可循环反复利用。