JP4357174B2 - ガラスおよび／またはガラスセラミックを成形するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は短波赤外放射線を用いたガラスおよび／またはガラスセラミック、なかでもガラスセラミック製造用の原料ガラスを成形するための方法および装置に関する。このタイプの加熱および／または成形方法はドイツ特許第ＤＥ １９９ ３８ ８０８ Ａ１号、第ＤＥ １９９ ３８ ８０７ Ａ１号および第ＤＥ １９９ ３８ ８１１ Ａ１号に詳細に記載されている。成形される最終製品はベーキング用の型、洗面器または台所用換気フードなどの成形体である。この方法では、上記タイプの３次元成形体は例えば板ガラスから作り出される。全断面図からもわかるように、３次元体の成形度はその形状によって様々である。ベーキング用の型はその一例であり、ベーキングキャビティは床面、傾斜した周囲壁および平坦な縁面から成る外形を有する。床面と周囲壁の間、および周囲壁と縁面との間の成形度は比較的高い。

ドイツ特許第ＤＥ １９９ ３８ ８１１ Ａ１号には、ガラスセラミック成形ブランクから、ある成形方法によるガラスセラミック部品を製造するための装置が記載されている。この明細書では中空放射キャビティの壁は赤外放射線を反射するように設計されている。同じ方法はドイツ特許第ＤＥ １９９ ３８ ８０８ Ａ１号、欧州特許第ＥＰ ０ １３３ ８４７ Ｂ１号および米国特許第ＵＳ ４ ７８９ ７７１ Ａ１号記載の装置でも採用されている。

更に、例えばＲＧＭ−１７からガラスを成形するために、スチール型を用いることは知られている。このような材料はガラスの加熱が型の外側で行われるか、または通常の放射加熱（例えばカンタルエレメント）若しくはガラスフレーム加熱を用いて実施される限りは好適である。型の上に載せたガラスを加熱する場合には、短波長赤外放射線が使用されるが、ガラスはこの放射線をほとんど透過するため、入射放射線の大部分はガラスを透過してスチール製の型に達するが、このスチール製の型は反射性が低く、入射放射線エネルギーの相当部分を吸収し、結果として加熱される。その結果ガラスは、型に極めて短時間で付着するようになり、さらに加熱を続けると酸化（スケーリング）を起こす。この様なことから、短波長赤外放射線を用いた加熱成形にスチール製の型が適しているとは言いがたい。

本発明の目的は、それにより型への本体の付着および／または型のスケーリングを起こすことなく、ガラスまたはガラスセラミック製の本体を、短波長赤外放射線を使用してモールド内で加熱し成形できる、本明細書冒頭に記載したタイプの方法および装置をデザインすることである。

この目的は独立請求項記載の特徴により達成される。
型の素材としては、好適な反射能を持つ金属、例えば光沢アルミニウムが考えられる。しかしその他の材料、例えば銅を用いることもできるが、この材料には高い反射能を持つ好適材料がコーティングされており、そのためコーティングが成形体の表面を構成している。コーティングの反射能は８０％あるいは９０％より高い方が好ましく、特に９５％より高い反射能をもっていれば好適である。この様にすることで、ガラスまたはガラスセラミック製成形体の付着および過熱の結果生じる型のスケーリングに関する前記欠点を防ぐことができる。

本発明によれば、こうした事情に対応して、最終製品を成形するための型の材料は、高い明度係数および／または高反射率を持つようにデザインされる。上記従来技術、特にドイツ特許第ＤＥ １９９ ３８ ８１１ Ａ１号には別の方法が記載されている。この特許では、反射を行う部分は成形型の壁ではなく、代わりに中空放射キャビティの壁が反射する。
多くの応用に、アルミニウム製または銅製の型が考えられる。コーティング材として金が考えられるが、金は鍍金または蒸着によって基板面上に塗布することができる。成形表面の研磨も可能である。

基本的に考えられる型は、好適には９０％より高い明度係数を持つ石英ガラス製のものもあるが、９５％より高い明度係数を持つことがより望ましい。このタイプのセラミック型の場合、極めて滑らかな３次元成形面を製造するには甚大なコストを伴い、金属加工の従来技術に等しい品質を得ることができないという欠点がある。

高熱伝導率（５０Ｗ／ｍＫより大で、特に好適には１００Ｗ／ｍＫより大）の型材料を選択することが望ましいが、それはこのような型は熱分布が均一であり、面によって放射線強度が異なるために生じる、場所による極端な温度むらが起こらなくなるからである。
銅またはアルミニウムはこの観点から、好適な材料である。

特にコーティングを施した型は、殆どの場合冷却する必要がある。さもなければ、型の温度がコーティングを損なう温度に達するからである。（高反射能により直ちに損なわれはしないが、長期および／または頻繁な加熱サイクルにより徐々に破壊される）また基礎材料の材料特性によって、型の許容温度は限られるため、非コーティング型でも冷却が必要な場合がある。型は水で冷却するのが好ましい。この方法では、型の調整温度が材料自体の温度を下回ることはないと思われるが、それは、そうでなければ型の上に載せられたガラスの温度が成形に必要な温度に達することはないからである。本発明ではこの温度に達するために、２つの分離構成要素として冷却装置と型を、両者の間にさらに構成要素として抵抗加熱体を加えて設け、それによって所望の型温度を確保する一方で、冷却装置を室温に近い温度にすることができる。

型を冷却している間には次の様な問題が起こることがある：比較的温度の低い型が成形体から熱を奪い、ガラス温度が成形に必要な温度まで達しない。これは、例えば平板ガラスをベーキングシェルに成形する上で極めて不都合である。平板は型と周縁部で接触し続けるように型上に置かれ、一方内側部分では板ガラスは型と接触しない。その結果、接触部のガラスと内部領域内にあるガラスとの間に温度勾配が生じる。その結果、板ガラスの遷移域内においても必要な成形温度を得ることができない。そのために使用する型に合わせて板を正確に成形できなくなる。

この問題は、成形度の高い成形体部分を型が局部的に冷却されるのを最小限にとどめるための対策が本発明の別の方法より行なわれ解決される。
型が独立して冷却されない場合でも、上記処置を講じることは有益である。そうしない場合、型の特定点が成形対象材料によって局部的に冷却されることがある。

この処置には、いくつか別の方法が可能である。最も簡単な処置は、成形度の高い部分の型にくぼみを設け、この領域に於いて成形面とこの面に対向して形成される本体表面との間が接触しないようにすることである。その結果、その部分が冷却されないようになり、成形体の温度は成形に必要な温度に達する。その他の処置、例えば成形度が高く直接影響を受ける領域が殆ど、または全く冷却されないように型を冷却し、結果としてこの領域にある成形体の熱を殆ど、または全く取り出さないようにすることも可能である。

図面を用い発明をより詳細に説明する。図面では以下の事柄が詳細に示されている。
図１にはベーキングシェルの製造用の型１が詳しく示されている。ここに示す例では、型１は水平方向に伸びる床面１．１、側面１．２およびシート面１．３をから成る成形面を有する。図示の場合、型１は９０％の反射率を有する金属で構成される。また、その金属の熱伝導は非常に高く、型１で製造しようとする製品の質を良好にする均質な温度分布を生ずるという利点がある。

ガラス板２が型１上に置かれる。上から見ると、このガラス板２は型１と全く同様の長方形であり、その周囲にあたる領域が型１のシート面１．３にのせられる。

加熱装置３は重要な構成要素である。この装置は２５００Ｋの色温度を持つ短波赤外放射装置を含む。ガラス板２は厚さ３．７ｍｍ、幅２５０ｍｍである。このガラス板は過熱装置３の放射線エミッタから５５ｍｍの距離に置かれ、型１の床面１．１までの距離は２５ｍｍである。ガラス板の中央域は石英板４によって放射線から遮蔽されており、ガラスがその部分で過度に軟化すること―いわゆるピット成形につながり得ること―を防いでいる。

型１を冷却する。そのため、型は冷却装置５の上にのせられる。尚、該装置に水が流されるケースも含む。型１は冷却装置５の上に接続しない方法で置かれ、熱伝導は比較的低い。

更に型は吸引口を有しており（図示しない）、成形面１．１、１．２、１．３上に開口している。加熱装置３で柔らかくしたガラス板２を該成形面上に引き上げることができるよう、吸引口に真空装置を取り付けることができる。

工程開始時に、ガラス板２を摂氏６００度の初期温度で過熱する。型１は摂氏２５０度まで過熱する。冷却装置５内を流れる冷却水は室温で、放射線エミッタの電力は５０ｋＷである。そして側面１．２とシート面１．３間曲辺部のガラス板２の温度が摂氏８００度より高くなった時点で、上記吸引口に真空を作用させる。

図２から６は、図１に示すガラス板の成形方法の各段階を示している。
図２にでは重要な細部を特によく見ることができる。床面１．１、側面１．２およびシート面１．３が示されているが、シート面１．３は加工、特にくぼみが設けられ、型１の周りを巡る沈下面１．４ができる。ガラス板２を型１および／またはシート面１．３の上に置くと、沈下面１．４とガラス板２の下面との間に中間スペースができ、この領域ではガラス板２と型１が接触しないことを意味する。従ってその部分のガラス板からは熱が逃げない。ガラス板２は過熱装置３から得た必要温度を保持し、この温度は成形に必要な温度に達する。

図３はガラス板が軟化し、その重みで中央部が若干沈下している状態を示している。
図４は前記の自重の影響に加え、前記吸引口から吸引力が加えられた状態を示している。
図５は次の段階を示している。
図６ではほぼ最終状態に達している。従ってガラス板２は型１の成形面上ほぼすべてに亘ってある。

実際の実施例では、シート面１．３と沈下面１．４間の垂直距離は１ｍｍである。より小さい、または大きい値、例えば０．５〜７ｍｍも想定できる。
ここでは水平方向に測定される沈下面１．４は、数ミリメートルの長さを有する。この沈下面の最適な長さは５〜２０ｍｍであり、好適には１０〜１５ｍｍである。

本発明による装置の縦断面概略図を示す。 シェル皿製造時の成形方法の作業の流れを示す。 シェル皿製造時の成形方法の作業の流れを示す。 シェル皿製造時の成形方法の作業の流れを示す。 シェル皿製造時の成形方法の作業の流れを示す。 シェル皿製造時の成形方法の作業の流れを示す。

Claims (10)

1. 本体（２）を成形型（１）の上に置き、短波長赤外放射（３）により加熱するステップと、
   型（１）の素材として、少なくとも９０％以上の明度係数または成形面の反射率が少なくとも８０％以上を持つ材質を選択するステップと、
   対象物の変形領域では、型（１）による本体（２）からの熱の局部的剥奪を最小限に抑えるために変形領域と型を接触させないように型（１）のシート面（１．３）にくぼみを設け、型と本体（２）との接触面を減らすように設計するステップと、を含む、
   三次元な最終製品の製造のための、ガラスまたはガラスセラミックスから成る本体（２）を変形する方法。
2. 成形型（１）が装備されているステップと、
   本体（２）を加熱するための短波長赤外放射加熱装置が装備されているステップと、
   型（１）の素材が、少なくとも成形面の領域では９０％以上の明度係数または８０％以上の反射率を有しているステップと、
   本体（２）の変形領域では、型（１）による本体（２）からの熱の局部的剥奪を最小限に抑えるために変形領域と型を接触させないように型（１）のシート面（１．３）にくぼみを設け、型と本体（２）との接触面を減らすように設計するステップと、を含む、三次元な最終製品の製造のための、ガラスまたはガラスセラミックスから成る本体（２）を変形する装置。
3. 本体（２）の変形領域では、型（１）の熱剥奪作用が遮断されていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 型（１）が水の貫流するセパレート式冷却装置（５）の上に設置されていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 型（１）の成形面が金属コーティング層で形成されていることを特徴とする、請求項２から４の１つに記載の装置。
6. 型（１）が金属製であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 成形面の反射率が少なくとも９０％以上であることを特徴とする、請求項２から６の１つに記載の装置。
8. 少なくとも型の成形面が石英材質から成っていることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 石英材質が少なくとも９５％以上の明度係数を有していることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 型が、本体（２）を支える支持面（１．３）と支持面の内側の位置にあって、それに相対して傾斜している側部斜面（１．２）との間に、底部が沈下した面（１．４）で形成されている刳り抜き部を有していることを特徴とする、請求項２から９の１つに記載の装置。

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