CN114956520B - 非等温加热的模压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通过非等温加热的方式对光学透镜进行模压的方法。包括如下步骤，将涂有导电涂层的上下模具装在模压设备上；并分别在上下模具上连接电极；将玻璃放入模具中，腔体抽真空，上下模具彼此靠近并将电极通电；所述导电后的上下模具通电后发热升温，当达到一定温度后，上下模具本身变成导体；精准调整通电电流，使温度稳步上升，并当温度到达预定温度后，上下模具彼此靠近并挤压玻璃，直到上下模具到达预定位置。采用本发明提供的方法能够解决由于模压过程压力高，或模压次数过多造成的模具碎裂情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种对光学透镜进行模压的方法。特别是将涉及一种通过非等温加热的方式对光学透镜进行模压的方法。
背景技术
激光三维扫描仪、红外激光测距仪、红外热成像仪以及各种无人智能化检测***，而光学玻璃镜片在这些设备中起到非常关键的作用，其镜片的成型精度和光学性能直接决定了这些设备的成像质量以及***识别能力。现阶段光学镜片成型的方法主要为模压成型，而模压成型主要包括加热、加压、退火以及冷却四个阶段。
现有的光学元件镜片模压成型设备的加热方法一般是采用模具直接加热法和红外加热法。其中采用模具直接加热法需要提前使用加热板将模具加热，然后再通过热传导将热量传递给玻璃坯料，这种方法加热与散热所需时间长，且复杂元件在模具中受热不均匀；采用红外加热法的模压成型设备，其所需的红外加热装置结构复杂、体积较大且需要固定，对于不同尺寸的光学元件加工适应性较差，且能量利用率较低，光学元件受热不均匀，同时红外加热灯易损坏，设备的整体使用寿命短。
CN106517744A公开了一种用于玻璃透镜生产的微波加热精密模压成型装置，使用微波磁控管产生微波，辐射至套筒，套筒外壁涂有吸波发热涂层，将微波能量转化为热量对玻璃坯料进行加热，但是这种加热方法仍然存在以下不足：(1)虽然提高了传热效率，但仍会出现光学元件预形体受热不均匀的情况；(2)新的模压成型设备结构相对复杂、成本高以及不便维修。
CN113620568A还公开了一种玻璃镜片精密模压成型方法为：将玻璃预形体放置在成型装置内，使用上下环形电极产生的电弧直接对玻璃预形体进行电弧加热以将玻璃预形体加热至一定温度，使用加压装置对玻璃预形体施加压力并保压一定时间，之后再将玻璃预形体加热到另一温度保压一定时间进行去应力退火，最后使用冷却装置冷却玻璃预形体并且卸去压力，开模取出成型后的玻璃镜片。
这些方法均采用等温的加热方法。采用等温加热的缺陷在于，模具的材料硅易于在低温时被压碎，减小模具寿命。
发明内容
本发明主要针对基于类石墨烯涂层的模压技术中，单晶硅模具的寿命问题提出的技术方案。通过增加碳化硅或碳化钨垫片的方式，减少了模压过程中玻璃对硅模具表面结构，特别是边缘结构的压力，从而进一步提高模具的使用寿命。从而降低了传统玻璃模压技术采用的成本高的碳化钨模具。本发明采用的单晶硅模具，降低成本十几倍。
本发明的一个方面提供一种通过非等温加热的方式对光学透镜进行模压的方法，包括如下步骤；采用高电阻的碳化硅/碳化钨材料模具，在常温下上下模模芯不导电；将涂有导电涂层的上下模具装在模压设备上；并分别在上下模具上连接电极；将玻璃放入模具中，腔体抽真空，上下模具彼此靠近并将电极通电；所述导电后的上下模具通电后发热升温，当达到一定温度后，上下模具本身变成导体；精准调整通电电流，使温度稳步上升，并当温度到达预定温度后，上下模具彼此靠近并挤压玻璃，直到上下模具到达预定位置；保持温度和压力一段时间，控制电流电压降温，降到一定程度后停止供电，打开上下模具，等模具在氮气中降到常温后，取出成品。
本发明的另一个方面，其中，所述上模具和下模具由涂有类石墨烯涂层的碳化硅层和涂有类石墨烯涂层的单晶硅层构成。
本发明的再一个方面，其中，所述上下模具不与被压制玻璃球接触的面为涂有类石墨烯涂层的单晶硅，并由电极加热；在每个上模具和下模具中，可以分别具有凹坑或其他结构，所述凹坑或其他结构在上下模具上是对称排布的，以便于形成符合要求的镜片形状。
本发明的另一个方面，其中所述单晶硅层作为第一级加热，受热不均匀，通过热传导，将热量传递到碳化硅层时，碳化硅层表面的温度均匀。
本发明的再一个方面，其中温度在上升过程中呈现抛物线状，一开始快速上升，之后随着目标温度的接近，温度上升速度逐渐减缓；通过使用温度控制算法获取模芯电阻值和电导率G，根据公式计算其中E、T0为拟合参数，C为与模芯相关的标定系数，得到当前模芯温度；或者通过使用多个红外测温仪，对准不同位置，从而反馈当前模芯温度；温度波动时，通过算法控制温度的峰值不超过安全值，且通过算法自动调节温度的上下波动，使温度变化曲线逐渐趋于平滑。
由于碳化硅和碳化钨的硬度高于单晶硅，因此在模压过程中同等实验条件损坏的可能性更低。单晶硅与碳化硅和碳化钨这两种材料对比，其优势在于相对较易于加工。缺点是单晶硅能承受的模压压力小于另外两个材料。在实验过程中，由于模压过程压力高，或模压次数过多造成的单晶硅碎裂情况时有出现，采用碳化硅和碳化钨材料作为模具能够解决这个问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创新性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)为本发明的模压成型方法中压制步骤示意图。
图1(b)为现有的模压成型方法中压制步骤出现模具形变的示意图。
图2(a)为现有技术的模压方法中上下模具剖面放大图。
图2(b)为现有技术的模压方法中上下模具边缘损坏的剖面图。
图3为本发明的模压成型方法中上下模具的截面图。
图4为本发明的模压成型方法的流程图。
图5为本发明的模压方法中温度随时间变化图。
图6(a)-6(c)为本发明的模压方法中模具寿命延长对比示例图。
具体实施方式
现结合相应的附图，对本发明的具体实施例进行描述。然而，本发明可以以多种不同的形式实施，而不应被解释为局限于此处展示的实施例。提供这些实施例只是为了本发明可以详尽和全面，从而可以将本发明的范围完全地描述给本领域的技术人员。附图中说明的实施例的详细描述中使用的措辞不应对本发明造成限制。
图1(a)为本发明的模压成型方法中压制步骤示意图。加热步骤，在下模具102上放置待压玻璃制品，例如玻璃球103，能够使用的玻璃的种类没有特别的限制，能够与用途对应地选择来使用公知的玻璃。例如，举出硼硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸玻璃、镧系玻璃等光学玻璃。
电机(未示出)驱动下模具102上升，用电压给下模具102加热，以此传热给玻璃球103，使玻璃球103的温度上升到玻璃的转化温度(Tg)及以上；压制步骤，下模具102电机继续驱动下模具102上升，同时携带玻璃球103位移，使玻璃球103接触上模具101，完成压制过程；退火冷却步骤，进行慢速退火处理，将成型的透镜在成型模具中进行初步退火处理，以便释放内应力；将退火的成型透镜从成型模具中取出来，放在冷却盘上被单独冷却至室温；取模步骤，将冷却后的模压成型制品从上模具101和下模具102中脱离出来。
这里所述的上模具101和下模具102均为碳化硅或碳化钨材料，当外部受到的力大于所述碳化硅或碳化钨材料在该温度下能承受的力(即屈服应力)时，上下模具会发生破损。屈服强度或屈服应力是材料的一种属性，是对应于材料开始塑性变形的屈服点的应力。
图1(b)为现有的模压成型方法中压制步骤出现模具形变的示意图。当压力高于屈服应力或屈服强度会发生塑性形变，从而造成上模具101和下模具102上面的结构边缘位置因压力过大而被挤坏，从而需要更换模具，增加时间和成本消耗。压痕上方的平均压力称为硬度，是其屈服或流动应力的测量值。
图2(a)为现有技术的模压方法中上下模具剖面放大图。图2(a)为图1(a)中的上下模具剖面放大图，展示了经过压制步骤，玻璃球受到挤压变形，形成透镜结构的过程。
图2(b)为现有技术的模压方法中上下模具边缘损坏的剖面图。图2(b)为图1(b)的上下模具边缘损坏的剖面图。由于传统工艺采用单晶硅材料作为上下模具的材料，采用单晶硅材料作为模具，当在批量生产时，单晶硅反复受压，达到一定模压次数或偶尔因玻璃受热不足造成压力变大并超过单晶硅材料在高温下所能承受的力时，模具受力的最大区域，这里特指模具的内部结构边缘和底部，将破损，减小了模具的寿命。
与现有技术方案是利用红外加热或者电热丝加热硅材料制备的上下模具不同，本发明所采用的非等温简介加热方法中，利用碳化硅/碳化钨材料制备的上下模具进行模压，将硅材料当电热板；
图3为本发明的模压成型方法中上下模具的截面图。每个上下模具采用两层结构，其中与被压制玻璃球接触的面311为涂有类石墨烯涂层的碳化硅，所述类石墨烯涂层指碳化物结合石墨烯(Carbide-bonded Graphene(CBG)，碳化硅为高电阻的碳化硅；温度一般是加到600摄氏度以上；所述上下模具不与被压制玻璃球接触的面312为涂有类石墨烯涂层的单晶硅，并由电极313加热。涂有类石墨烯涂层的碳化硅层311和涂有类石墨烯涂层的单晶硅层312构成上模具101和下模具102。在每个上下模具101和102中，可以分别具有凹坑或其他结构314。所述凹坑314在上下模具上是对称排布的，以便于形成符合要求的镜片形状。模具上下闭合时候偏心控制在要求范围内(比如3微米)。可以将所述上下模具的与被压制玻璃球接触的面311作为模芯，放置在所述上下模具不与被压制玻璃球接触的面312上面。通过电极313给单晶硅通电加热。单晶硅层312作为第一级加热，会有受热不均匀的情况，但通过热传导，将热量传递到碳化硅层311时，碳化硅层311表面的温度会更均匀，且由于碳化硅层311比单晶硅层312要更硬，因此模芯上形状边缘，如凹坑边缘，将会有更好的寿命。
图4为本发明的模压成型方法的流程图。采用的工作流程：在步骤401，采用高电阻的碳化硅/碳化钨材料模具，在常温下上下模模芯不导电；将涂有导电涂层的上下模具装在模压设备上；并分别在上下模具上连接电极；在步骤402，将玻璃放入模具中，腔体抽真空，上下模具彼此靠近并将电极通电；在步骤403，所述导电后的上下模具通电后发热升温，当达到一定温度后，上下模具本身变成导体；在步骤404，精准调整通电电流，使温度稳步上升，并当温度到达预定温度后，上下模具彼此靠近并挤压玻璃，直到上下模具到达预定位置；在步骤405，保持温度和压力一段时间，控制电流电压降温，降到一定程度后停止供电，打开上下模具，等模具在氮气中降到常温后，取出成品。
温度在上升过程中呈现抛物线状，一开始快速上升，之后随着目标温度的接近，温度上升速度逐渐减缓。温度在上升过程中采集温度主要有两种方式：1.使用温度控制算法获取模芯电阻值和电导率G，根据公式计算其中E、T0为拟合参数，C为与模芯相关的标定系数得到当前模芯温度。2.使用多个红外测温仪，对准不同位置，从而反馈当前模芯温度。温度波动时，通过算法控制温度的峰值不超过安全值，且通过算法自动调节温度的上下波动，使温度变化曲线逐渐趋于平滑。
图5为本发明的模压方法中温度随时间变化图。如图5所示，前三分钟是模压准备阶段，包括上下料、抽真空等，这个阶段并没有通电加热。之后从3分44秒到4分37秒(共53秒时间)，模具的温度快速上升到了600℃，此后到5分15秒这38秒的时间，温度从500℃上升到520℃左右。可以看到非等值体现在不同时间段的加热速率是不同的，初始速度较快，而接近设定温度时，升温速度放缓。相比传统匀速加热，该方法在初始阶段能够节省更多加热时间。而在高温阶段，通过放缓升温速度以及实时的参数调节避免了温度的突然变化，从而提高升温过程的稳定性和精确性。图5中曲线只是示例，时间升温时间和曲线斜率都可以根据实际需求来调节。
由于碳化硅和碳化钨的硬度高于单晶硅，因此在模压过程中同等实验条件损坏的可能性更低。单晶硅与碳化硅和碳化钨这两种材料对比，其优势在于相对较易于加工。缺点是单晶硅能承受的模压压力小于另外两个材料。在实验过程中，由于模压过程压力高，或模压次数过多造成的单晶硅碎裂情况时有出现，采用碳化硅和碳化钨材料作为模具能够解决这个问题。
图6(a)-6(c)为本发明的模压方法中模具寿命延长对比示例图。图6(a)为全新的上下模具结构，包括一个凹坑结构。图6(b)为现有技术中采用的上下模具上凹坑结构边缘在多次模压后的磨损示意状况。图6(c)为本发明的模压方法使用碳化硅模具在多次模压后，依然没有太大变化，意味着更长的寿命的。
利用该制造方法制造的玻璃成形体，能够作为手机、安防镜头、车载镜头等摄像镜头、DVD等光拾取器透镜、光通信用的耦合透镜等各种光学元件而使用。另外，还能够作为基于再加热冲压法的各种光学元件的制造所使用的玻璃预成型件而使用。
本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。
以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。本发明已结合例子在上面进行了阐述。然而，在本发明公开范围以内的上述实施例以外的其它实施例也同样可行。本发明的不同的特点和步骤可以以不同于所描述的其它方法进行组合。本发明的范围仅受限于所附的权利要求书。更一般地，本领域普通技术人员可以轻易地理解此处描述的所有的参数，尺寸，材料和配置是为示范目的而实际的参数，尺寸，材料和/或配置将取决于特定应用或本发明教导所用于的应用。
Claims (2)
1.一种通过非等温加热的方式对光学透镜进行模压的方法，包括如下步骤；将涂有导电涂层的上下模具装在模压设备上；并分别在上下模具上连接电极；将玻璃放入模具中，腔体抽真空，上下模具彼此靠近并将电极通电；导电后的上下模具通电后发热升温，当达到一定温度后，上下模具本身变成导体；精准调整通电电流，使温度稳步上升，并当温度到达预定温度后，上下模具彼此靠近并挤压玻璃，直到上下模具到达预定位置；所述上下模具采用两层结构，其中与被压制玻璃接触的面为涂有类石墨烯涂层的碳化硅，所述类石墨烯涂层指碳化物结合石墨烯(Carbide-bonded Graphene，CBG)，碳化硅为高电阻的碳化硅；所述上下模具不与被压制玻璃接触的面为涂有类石墨烯涂层的单晶硅，并由电极加热；保持温度和压力一段时间，控制电流电压降温，降到一定程度后停止供电，打开上下模具，等模具在氮气中降到常温后，取出成品；单晶硅层作为第一级加热，受热不均匀，通过热传导，将热量传递到碳化硅层时，碳化硅层表面的温度均匀；非等值体现在不同时间段的加热速率是不同的，初始速度较快，而接近设定温度时，升温速度放缓；在初始阶段节省更多加热时间；而在高温阶段，通过放缓升温速度以及实时的参数调节避免了温度的突然变化，从而提高升温过程的稳定性和精确性，其中温度在上升过程中呈现抛物线状，一开始快速上升，之后随着目标温度的接近，温度上升速度逐渐减缓；通过使用温度控制算法获取模芯电阻值和电导率G，根据公式计算其中E、T0为拟合参数，C为与模芯相关的标定系数得到当前模芯温度；或者通过使用多个红外测温仪，对准不同位置，从而反馈当前模芯温度；温度波动时，通过算法控制温度的峰值不超过安全值，且通过算法自动调节温度的上下波动，使温度变化曲线逐渐趋于平滑。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在每个上模具和下模具中，分别具有凹坑或其他结构，所述凹坑或其他结构在上下模具上是对称排布的，以便于形成符合要求的镜片形状。
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