JP2012509838A - シート材料から複数の造形品を形成するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の造形品を作製するための方法および装置に関する。この装置は、少なくとも１個の減圧ポート（１０８）と、ガラスを主体とする材料からなる１枚のシート（１３０）を受容するための一つの表面（１２４）とを有する１個の容器（１０２）を備えている。容器（１０２）内には少なくとも１個の雄型（１１６）が支持されており、この少なくとも１個の雄型（１１６）は、１個の造形品の内側を画成する輪郭を備えた外側表面（１１８）を有する。上記容器と上記少なくとも１個の雄型との間には一つの開放容積（１１５）が画成され、この開放容積は上記減圧ポートに連通している。上記方法は、複数の雄型（１１６）からなるアレーを提供し、かつ上記複数の雄型の表面（１１８）上に上記シート（１３０）を垂れ下がらせて、複数の垂れ下がりウェブによって相互連結された複数の造形品からなるアレーを形成し、上記複数のウェブは、上記複数の造形品からなるアレーの基部の下方へ延出している。

Description

本発明は、概略的には造形品を形成するための方法および装置に関する。より具体的には、本発明は、薄い壁を有するガラスを主体とする造形品を形成するための方法および装置に関する。

成型は、造形品の作製に用いられる一つの一般的な技術である。精密成型は、ガラス造形品を成形するために、特に最終的なガラス物品が高度の寸法的正確度および高品質の表面仕上げを有することが必要な場合に適している。精密成型においては、最終的なガラス物品の幾何学的形状に類似した全体の幾何学的形状を有するガラスプリフォームが一対の金型の間でプレスされて、最終的なガラス物品を形成している。この方法は、精密に切削されかつ研磨された金型の表面のみでなく、金型に対するガラスプリフォームの供給に高度の正確度を必要とするので、費用がかかる。プランジャを用いて、溶けたガラスの塊をプレスすることに基づくプレス成形は、ガラス造形品を比較的安価に生産するのに用いることができるが、一般的には、精密成型によって達成可能な高度の公差および光学特性は得られない。複雑な曲率を有する薄い壁のガラス物品を作製するためには、溶融ガラスが薄く伸ばされなければならないが、溶融ガラスは、最終的な所望の形状に達する以前に冷えてしまったり、冷えた皮を形成したりする。溶けたガラスの塊のプレス成形により形成されたガラス造形品は、シャーマーク（shear marking）、ゆがみ、低い表面品質による光学的歪み、および全体の低い寸法的精密性のうちの一つまたはそれ以上を示す可能性がある。また、ガラス造形品は、ガラス板を金型内にプレスすることによっても形成することができる。

一つの態様において、本発明は、離間した複数の雄型からなるアレーを備えた１個の容器を提供するステップを含む複数の造形品の作製方法に関し、上記複数の雄型のそれぞれが、１個の造形品の内側を画成する輪郭を備えた外側表面を有する。この方法はさらに、ガラスを主体とする材料からなる１枚のシートを、このシートと上記容器との間に一つの閉鎖容積が画成されるように、上記容器上に位置決めするステップを含み、上記閉鎖容積には、離間した複数の雄型からなるアレーが封入されている。この方法は、上記閉鎖容積を減圧し、かつこの減圧によって上記シートを、上記複数の雄型の外側表面上に垂れ下がらせ、かつ上記複数の雄型間の空間内に垂れ下がらせて、上記シートの一部分における複数の垂れ下がりウェブによって相互連結された複数の造形品からなるアレーを形成するステップを含み、この場合、前記複数の垂れ下がりウェブは、上記複数の造形品からなるアレーの基部の下方へ延出している。この方法は、上記複数の造形品からなるアレーを上記雄型から取り外し、かつ上記複数の垂れ下がりウェブを切り落として、上記複数の造形品からなるアレーを個々の複数の造形品に分離させるステップを含む。

別の態様において、本発明は、少なくとも１個の減圧ポートと、ガラスを主体とする材料からなる１枚のシートを受容するための表面とを有する１個の容器を備えた、複数の造形品を作製するための装置に関する。この装置は、上記容器内に支持された少なくとも１個の雄型を備え、この少なくとも１個の雄型は、１個の造形品の内側を画成する輪郭を備えた外側表面を有する。この装置は、上記容器と上記少なくとも１個の雄型との間に画成された一つの開放容積を備えている。この開放容積は上記減圧ポートに連通している。

本発明の他の特徴および効果は、下記の説明および添付の請求項から明らかであろう。

以下に説明されている添付図面は、本発明の典型的な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲の限定を考慮したものではない。図は必ずしも等尺ではなく、図および図の視る方向によっては寸法が誇張され、または明快性および簡潔性のために概略化されている。

造形品を作製するための装置の平面図である。 図１の２−２線に沿った断面図である。 １個の雄型の斜視図である。 複数の造形品を作製するための装置の上方に吊るされたシート材料を示す断面図である。 装置の容器上に位置決めされた図４のシートを示す断面図である。 雄型上に密着された図５のシートを示す断面図である。 図６のシート内のウェブに加えられる力を示す断面図である。 相互連結された複数の造形品からなるアレーの一部を示す斜視図である。 個々の造形品を示す斜視図である。

以下、添付図面に示されている若干の実施の形態を参照して本発明を詳細に説明する。これらの実施の形態の説明においては、本発明の完全な理解を提供するために、数々の具体的な詳細内容が説明されている。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細内容のいくつかまたは全てを伴わなくとも実施可能であることが当業者には明らかであろう。その他の場合に、周知の特徴および／または処理ステップは、本発明を不必要に曖昧にしないために詳細には説明されていない。さらに、共通のまたは類似の要素には、類似または同一の参照符号が用いられている。

図１は、複数の造形品を作製するための装置１００の平面図である。これらの複数の造形品は、ガラスまたはガラスセラミック等のガラスを主体とする材料から作製される。装置１００は、側壁１０４および底壁１０６を有する容器１０２を備えている。この容器１０２は、耐熱性の頑丈な材料から形成されていればよい。図２は、装置１００の縦断面図である。図２に示されているように、容器１０２は複数の減圧ポート１０８を備えている。一般に、容器１０２は１個またはそれ以上の減圧ポート１０８を備えていればよい。これらの減圧ポート１０８は、図示のように底壁１０６および／または側壁１０４に配置されていればよい。

図１および図２を参照すると、複数の雄型１１６が容器１０２内に支持されている。一般に、１個またはそれ以上の雄型１１６を容器１０２内に支持することができる。これらの雄型１１６は、各雄型１１６と隣の雄型との間にギャップＧが存在するように配置される。ギャップＧの幅は、装置全体に亘って同一でも異なっていてもよい。各雄型１１６の形状は、この雄型によって形成される所望の造形品によって左右される。図示のために、図３は、１個の造形品を形成するための雄型１１６の実施例を示す。この雄型１１６は、この雄型１１６によって形成されるべき造形品の内側の輪郭を備えた外側表面１１８を備えている。この外側表面１１８が支える造形品の輪郭が一般に凹状であるために、この金型１１６は「雄」と呼ばれる。外側表面１１８は平滑かまたは織り目が付いている。上記雄型１１６はまた、後述する支柱上に配置される底面１２０を備えている。

図１および図２を参照すると、上記雄型１１６は、造形品が作製される条件下において、この造形品を作製するのに用いられるガラスを主体とする材料とは決して反応することがない材料であることが好ましい耐熱性材料から作製される。このような条件は、この装置を用いて造形品が如何にして作製されるかの下記の説明中において明らかになるであろう。一例として、上記雄型１１６は、耐熱鋼、鋳鉄、またはセラミックから作製される。金型の寿命を伸ばすために、上記雄型１１６の外側表面１１８には、造形品を作製するのに用いられる、ガラスを主体とする材料とは決して反応することがない硬い耐熱性材料で覆われている。このような材料の一例はダイアモンド・クロムコーティングである。

図２を参照すると、複数の雄型１１６が複数本の支柱１１０上に支持されている。これらの支柱１１０は容器１０２の底壁１０６上に支持されている。底壁１０６は、支柱１１０の一端部を収容するための複数の窪み１１２を備えている。雄型１１６も支柱１１０の一端部を収容するための同様の複数の窪み１２１を備えている。これらの支柱１１０は、円形またはその他の、例えば楕円形、または環状の断面形状を有する。支柱１１０のサイズ、例えば外径は、装置全体に亘って等しくても異なっていてもよい。支柱１１０は、各支柱１１０と隣の支柱との間にギャップｇが存在するように配置される。ギャップｇの幅は、装置全体に亘って同一でも異なっていてもよい。支柱１１０は耐熱性の頑丈な材料から作製される。

図１および図２を参照すると、一つの実施例において、容器１０２の側壁１０４と雄型１１６との間の環状ギャップ１２３にはスペーサリング１２４が配置されている。このスペーサリング１２４は、このスペーサリング１２４と複数の雄型１１６との間に環状ギャップ１２５が形成されるように、複数の雄型１１６から離間されている。図２に、より明白に示されているように、上記スペーサリング１２４は、下記に説明されているように、このスペーサリング１２４と複数の雄型１１６との間に加えられる力を受け止めることができるストッパ１２８を備えることができる。

図１を参照すると、容器１０２は、それの上にガラスを主体とする材料からなるシートが載せられる表面１１９を備えている。一つの実施例において、この表面１１９には複数のエジェクタ１２７が配置されている。これらのエジェクタ１２７は、ガラスを主体とする材料からなるシートを容器１０２から取り外すのを助けるように作動される。

図２を参照すると、容器１０２と複数の雄型１１６との間には、符号１１５で概略的に示されている開放容積が画成されている。この容積１１５は、雄型１１６間のギャップＧおよび支柱１１０間にギャップｇがある故に「開放」されている。この開放容積１１５は複数の減圧ポート１０８に連通している。環状ギャップ１２５がギャップＧおよびｇと相互接続されている場合には、環状ギャップ１２５もまた開放容積１１５の開放性に寄与する。もし環状ギャップ１２５がギャップＧおよびｇと相互接続されていなければ、環状ギャップ１２５を減圧するために、別個の減圧回路が環状ギャップ１２５に接続される。

図４〜図９は、造形品の作製方法を示す。図４において、ガラスを主体とする材料からなるシート１３０が装置１００の容器１０２の上方に吊るされている。このシート１３０は、例えば吸着カップによる等の何れかの適当な方法を用いて容器１０２の上方に吊るされている。吸着カップまたはその他の掴み手段は、上方、下方から、またはシート１３０のエッジにおいて用いられる。シート１３０の上面１３２が清潔な場合には、吸着カップまたはその他の掴み手段は、シート１３０の造形品に形成されないエッジの近傍の上面１３２に接触させるのが良い。シート１３０は、１組のローラ等の何れかの適当な搬送手段を用いて、シート形成ステーションから容器１０２まで搬送される。このシート１３０は、フュージョンドロー法またはフロ−トガラス法等の適当な方法によって作製される。このシート１３０は個別のシートまたは連続的なシートとして容器１０２まで搬送される。清潔な表面（片面または両面）を有するシート１３０は、例えばフュージョンドロー法によって作製することができる。

シート１３０の材料は、造形品が用いられる用途に適したものであれば何れの組成を有するガラスを主体とするものであってもよい。ガラスを主体とする材料は、ガラスまたはガラスセラミックである。一つの実施例において、ガラスを主体とする材料は、イオン交換によって化学的に強化され得るガラス組成物である。一般にＫ^＋等の、より大きいアルカリイオンと交換可能な、ガラス組織内のＬｉ^＋またはＮａ^＋等の、より小さいイオンの存在は、イオン交換によって化学的に強化されるのに適したガラス組成物を提供する。例えば、米国特許出願第１１／８８８２１３号明細書には、イオン交換によって強化され、かつダウンドロー法によってシートにされることが可能なアルカリ・アルミノ硼珪酸塩ガラスが開示されている。これらのガラスは、約１６５０℃よりも低い溶融温度と、少なくとも１．３×１０^５ポアズの、一つの実施例においては、２．５×１０^５ポアズを超える液相線粘度を有する。これらのガラスは、比較的低い温度において、かつ少なくとも３０μｍの深さまでイオン交換されることが可能である。このガラスは組成的に下記の成分を含む。すなわち、６４モル％≦ＳｉＯ_２≦６８モル％、１２モル％≦Ｎａ_２Ｏ≦１６モル％、８モル％≦Ａｌ_２Ｏ_３≦１２モル％、０モル％≦Ｂ_２Ｏ_３≦３モル％、２モル％≦Ｋ_２Ｏ≦５モル％、４モル％≦ＭｇＯ≦６モル％、および０モル％≦ＣａＯ≦モル％、ここで、６６モル％≦ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋ＣａＯ≦６９モル％、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＋Ｂ_２Ｏ_３＋ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＞１０モル％、５モル％≦ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ≦８モル％、（Ｎａ_２Ｏ＋Ｂ_２Ｏ_３）−Ａｌ_２Ｏ_３≦２モル％、２モル％≦Ｎａ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３≦６モル％、および４モル％≦（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）−Ａｌ_２Ｏ_３≦１０モル％である。

上記ガラスシートを造形品に形成するためには、このシートは、それが成形されることが可能な高い温度に加熱されなければならない。矢印１３４は、シート１３０が容器１０２の上方に吊るされていながら、高い温度まで加熱されることを示す。シート１３０はまた、容器１０２の上方に吊るされる以前に高い温度まで加熱される。一つの実施例において、ガラスを主体とする材料が約１０^９ポアズ以下の粘度になる温度まで加熱される。一般に、この温度はガラスを主体とする材料の組成に左右される。

図５において、シート１３０は容器１０２と接触する位置に持ち込まれ、これにより、容器１０２シート１３０との間に、符号１３５で概略的に示されている閉鎖容積を画成する。雄型１１６の温度はシート１３０の温度よりも低い。図５に示された位置においては、シート１３０が、雄型１１６、雄型１１６間のギャップＧ、および雄型１１６とスペーサリング１２４との間の環状ギャップ１２５の上に載っている。

この方法は、減圧ポート１０８を通じて閉鎖容積１３５を減圧することを含む。このことは、例えば真空ポンプを減圧ポート１０８に連結し、かつこのポンプを用いて上記閉鎖容積１３５から空気および他のガスを排出させることによって達成される。減圧の実施により、図６に示されているように、シート１３０が雄型１１６の外表面１１８上に垂れ下がり、かつギャップＧおよび１２５内に垂れ下がる。シート１３０の雄型１１６の外表面１１８上に垂れ下がった部分が造形品１４４を形成する。シート１３０のギャップＧ内に垂れ下がった部分は、複数の造形品１４４を相互連結する垂れ下がりウェブ１４６（凹状ウェブ）となる。一つの実施例において、垂れ下がりウェブ１４６は、複数の造形品１４４からなるアレーの基部よりも下方へ延出しているので、下記にさらに説明されているように、これらは切り落とされて、複数の造形品１４４を個々のピースに分離させる。

上記シート１３０の環状ギャップ１２５内に垂れ下がった部分は、造形品１４４（すなわち、スペーサリング１２４に隣接する造形品）とシート１３０の残りの部分１３０ａとの間の垂れ下がりウェブ１４８となる。図７は、垂れ下がりウェブ１４８を押圧する（薄くする）または垂れ下がりウェブ１４８を切り開くために、垂れ下がりウェブ１４８に加えられる力Ｆを示す。後者の場合、相互接続された複数の造形品１４４がシート１３０の残りの部分１３０ａから切り離される、力Ｆは鈍い刃、または鋭い刃を備えた工具によって加えられる。

この方法は、ガラスを主成分とする材料が冷えるまで、一般にはガラスを主成分とする材料が約１０^１３ポアズ以上の粘度を有する温度になるまで、相互接続された複数の造形品１４４を雄型１１６上に保持することを含む。ガラスを主成分とする材料が所望の温度にまで冷える間、閉鎖容積（図５の１３５）の減圧は維持される。次に、冷えた相互接続された複数の造形品１４４が雄型１１６から取り外される。この取外しは、閉鎖容積（図５の１３５）の加圧および／または複数のエジェクタ（図１の１２７）とともに行なうことができる。

図８は、上述のように形成された造形品１４４の、雄型１１６（図７における）から取り外された後の相互連結された部分を示す。アニール後、複数の垂れ下がりウェブ１４６が切り落とされて、個々のピースにされる。これらの垂れ下がりウェブ１４６が、図８に示されているように造形品１４４の基部の下方に延出している場合には、例えば削ることによって切落としが完了する。これは、相互接続された複数の造形品１４４を複雑な機械加工を用いて個々のピースに切断することを回避するものである。垂れ下がりウェブ１４８も切り落とされる。上記成形工程も、垂れ下がりウェブ１４８が造形品１４４の基部の下方に延出するようにされることができ、これにより切落とし工程が簡単になる。

図９は、個々の造形品１４４を示す。この方法は、個々の造形品１４４の切り落とされたエッジを仕上げることを含む。この方法はさらに、下記に説明されているように、造形品１４４を化学的に強化することを含む。化学強化後、火仕上げ等の技法が用いられて造形品を仕上げる。

一つの実施例において、化学強化はイオン交換によって行なわれる。このイオン交換法は一般に、ガラスの転移温度を超えない高められた温度範囲において行なわれる。ガラスは、アルカリ金属塩を含む溶融浴中に浸され、このアルカリ金属は、ガラス中に含まれているアルカリ金属イオンのそれよりも大きいイオン半径を有する。ガラス中の、より小さいアルカリ金属イオンは、より大きいアルカリイオンと交換される。例えば、ナトリウムイオンを含むガラスシートは、溶融硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）浴中に浸される。溶融浴中に存在する、より大きいカリウムイオンが、ガラス中の、より小さいナトリウムイオンと置き換わる。以前はナトリウムイオンによって占められていた部位におけるカリウムイオンの存在は、ガラスの表面またはその近傍に圧縮応力を生じさせる。次にこのガラスは、イオン交換後冷却される。ガラス中におけるイオン交換の深さは、ガラスの組成によって制御される。例えば、カリウム／ナトリウムイオン交換工程に関しては、イオン交換が生じる高められた温度が、３９０℃から４３０℃までの範囲内とされることができ、かつカリウム塩を含む溶融浴中にナトリウムを含むガラスが浸される時間は７時間から１２時間とされることができる（温度がより高ければ時間はより短く、温度がより低ければ時間はより長くなる）。一般に、イオン交換が深い程、表面圧縮がより高くなり、ガラスをより強化することができる。

上述の方法および装置は、薄壁のガラスを主体とする造形品（例えば、壁の厚さが２ｍｍ未満）の形成を、高精密性および低価格において可能にし得る。これらの造形品の外面は雄型と接触することはなく、したがって、もし造形品がそれから作製される原シートの少なくとも一方の表面が清純であれば、造形品の外面は清純であり得る。この方法は再現性を有し、一貫性があり、かつ融通性に富む。この融通性は、種々の形状を有する造形品を単一工程で形成することができる能力において実現されるであろう。

以上、限られた数の実施の形態についての説明がなされたが、本明細書の恩恵を受ける当業者であれば、ここに説明されている本発明の範囲から離れることなしに、他の複数の実施の形態を実施し得ることを理解されるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるべきものである。

１００ 造形品作製装置
１０２ 容器
１０４ 容器の側壁
１０６ 容器の底壁
１０８ 減圧ポート
１１０ 支柱
１１２ 容器の底壁の窪み
１１５ 開放容積
１１６ 雄型
１１８ 雄型の外側表面
１２０ 雄型の底面
１２１ 雄型の窪み
１２３，１２５ 環状ギャップ
１２４ スペーサリング
１２７ エジェクタ
１２８ ストッパ
１３０ ガラスを主体とするシート
１３２ シートの上面
１３５ 閉鎖容積
１４４ 造形品
１４６，１４８ 垂れ下がりウェブ
Ｇ 複数の雄型間のギャップ
ｇ 複数の支柱間のギャップ

Claims (10)

1. 複数の造形品の作製方法であって、
   離間した複数の雄型からなるアレーを備えた１個の容器を提供するステップであって、前記複数の雄型のそれぞれが、１個の造形品の内側を画成する輪郭を備えた外側表面を有するものであるステップ、
   ガラスを主体とする材料からなる１枚の加熱されたシートを、該シートと前記容器との間に閉鎖容積が画成されるように前記容器上に位置決めするステップ、
   前記閉鎖容積を減圧するステップ、
   該減圧によって前記シートを前記複数の雄型の外側表面上に垂れ下がらせ、かつ前記複数の雄型間の空間内に垂れ下がらせて、前記シートの一部分における複数の垂れ下がりウェブによって相互連結された複数の造形品からなるアレーを形成するステップであって、前記複数の垂れ下がりウェブは、前記複数の造形品からなるアレーの基部の下方へ延出しているものであるステップ、
   前記複数の造形品からなるアレーを前記複数の雄型からなるアレーから取り外す以前に、前記複数の造形品からなるアレーを、前記ガラスを主体とする材料が１０^１３ポアズ以上の粘度を有する温度にまで冷却するステップ、
   前記複数の造形品からなるアレーを前記複数の雄型から取り外すステップ、および
   前記複数の垂れ下がりウェブを切り落として、前記複数の造形品からなるアレーを個々の複数の造形品に分離させるステップ、
   を有してなり、
   前記ガラスを主体とする材料が、ガラスまたはガラスセラミックであり、かつ減圧に先立って１０^９ポアズ以下の粘度になるまで加熱されることを特徴とする方法。
2. 前記複数の造形品を、イオン交換によって強化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 減圧によって前記シートを前記複数の雄型と前記容器との間の環状空間内に垂れ下がらせて、前記複数の造形品からなるアレーと前記シートの別の部分との間に垂れ下がりウェブを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記複数の造形品からなるアレーと前記シートの別の部分との間の前記垂れ下がりウェブを押圧しまたは切り開くステップをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 複数の造形品を作製するための装置において、
   少なくとも１個の減圧ポートと、ガラスを主体とする材料からなる１枚の加熱されたシートを受容するための表面とを有する１個の容器、
   該容器内に支持された少なくとも１個の雄型であって、１個の造形品の内側を画成する輪郭を備えた外側表面を有する少なくとも１個の雄型、および
   前記容器と前記少なくとも１個の雄型との間に画成された一つの開放容積であって、前記減圧ポートに連通してなる開放容積、
   を備えたことを特徴とする装置。
6. それの上に前記少なくとも１個の雄型が支持される少なくとも１本の支柱を備え、該少なくとも１本の支柱が前記開放容積内に配置されてなることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 前記少なくとも１個の雄型と前記容器との間に配置された１個のスペーサリングをさらに備えてなることを特徴とする請求項５記載の装置。
8. 前記スペーサリングが、前記少なくとも１個の雄型と前記容器との間に加えられる荷重を受け止める表面を備えてなることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記容器内に支持された、さらなる複数の雄型をさらに備え、該さらなる複数の雄型のそれぞれは、１個の造形品の内側を画成する輪郭を備えた外側表面を有し、前記さらなる複数の雄型および前記少なくとも１個の雄型が、離間した複数の雄型からなるアレーを画成してなることを特徴とする請求項５記載の装置。
10. それらの上に前記離間した複数の雄型からなるアレーが支持される複数の離間した支柱をさらに備え、該複数の支柱が前記開放容積内に配置されてなることを特徴とする請求項９記載の装置。

Images